[发明专利]一种毫米波检测方法及装置

说明书

本发明公开一种毫米波检测方法及装置，属于毫米波和太赫兹的相干检测领域，将待检微波照射至原子样品池，通过六波混频将毫米波相干转化为可见光信号；测量可见光信号获得毫米波的幅度和相位，实现高灵敏度的毫米波相干检测。它是基于量子干涉原理和里德堡原子六波混频技术，在原子气室内将毫米波相干转换为可见光信号，利用可见光的检测来实现毫米波的高灵敏度检波；此方法能获得近单光子水平的检测灵敏度，实现空间分辨率为亚波长量级的毫米波和太赫兹实时成像，为毫米波和太赫兹的精密检测提供新技术基础。

技术领域

本发明属于毫米波和太赫兹的相干检测领域，尤其涉及一种毫米波检测方法及装置。

背景技术

2012年，美国Oklahoma大学的Shaffer研究组与德国Stuttgart大学的Pfau研究组合作首次利用里德堡原子EIT和AT(Autler-Townes)分裂，将微波电场强度的测量转化为光学频率测量，实验上实现了微波电场测量，测到的最小电场强度为8μVcm^-1，灵敏度为30μVcm^-1Hz^-1/2，远优于传统偶极天线微波电场计。紧接着在2013年，他们又在原来的实验基础上实现了微波偏振方向的测量，偏振测量精确度为0.5°。2014年，美国国家标准与技术研究院(NIST)实验上实现了从15GHz到105GHz的高精度微波电场测量和高分辨率的亚波长微波电场成像。

目前的实验测量和理论分析表明，原子体系的基于EIT-AT分裂微波检测方法无法获得相位信息；同时探测光透明窗口的宽度受激光线宽、渡跃展宽、散粒噪声以及里德堡原子退相干等因素的影响，无法对极微弱的微波电场实现精密测量。本发明在原理上不受原子体系量子测量极限的限制，测量灵敏度可接近微波单光子水平，实现在自由空间从微波到太赫兹宽波段的高灵敏度检波。

发明内容

本发明针对现有技术中所遇到的问题，提供一种毫米波检测方法及装置，以通过对可见光信号的分析，实现对毫米波幅度和相位信息的高灵敏度检波，理论灵敏度可接近微波单光子水平，其结构简单、操作方便、测量精确、包含相位信息、可行性强，且易于实用化。

为了实现上述目的，本发明提出一种毫米波检测方法，包括如下步骤：

S10、将待检微波照射至原子样品池，通过六波混频将毫米波相干转化为可见光信号；

S20、测量可见光信号获得毫米波的幅度和相位。

优选地，所述的S10之前还包括；

S01、将原子制备到所需基态，施加驱动光和耦合光将原子的基态与里德堡态耦合；

S02、施加辅助微波场和辅助光场至里德堡态的原子系综上，分别耦合第四、五能级和第五、六能级。

优选地，所述的待检微波，其电场强度与光功率之间的关系如下：

其中，E为电场强度，P_L为光功率，c为真空光速，ε₀为真空介电常数，S为六波混频区域的横截面积，w_M为待检毫米波，w_L为可见光频率，F为待检毫米波与可见光的转换效率。

本发明还提出一种毫米波检测装置，包括：碱金属样品池、正向激光器、反向激光器、辅助微波源、光电探测器、二向色镜和黑匣子，其中，

碱金属样品池：用于提供饱和蒸气压下的碱金属单质气体，通过六波混频将待检毫米波在气体原子系综内转化为可见光信号；

正向激光器：用于产生正向的驱动光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的基态与中间态；

反向激光器：用于产生反向的耦合光及辅助光并发射至碱金属样品池中，耦合碱金属样品池中原子的中间态与里德堡态；