[发明专利]一种提高微波电场幅度测量灵敏度的装置和方法

说明书

本发明公开了一种提高微波电场幅度测量灵敏度的装置和方法，装置包括：里德堡原子微波电场传感器、调制单元和分析单元；里德堡原子微波电场传感器，用于将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相对传播并严格重合，形成里德堡原子的电磁感应透明(EIT)，在施加微波源产生的待测微波电场后发生Autler‑Townes(AT)分裂，在对探测光的频率进行线性扫描后得到EIT‑AT分裂光谱；调制单元，用于调制待测微波电场的幅度，得到EIT‑AT分裂光谱的色散信号；分析单元，用于分析不同微波强度下的EIT‑AT分裂光谱与对应的色散信号，确定微波电场测量的灵敏度。本发明通过调制待测微波电场的幅度，提高测量微波电场幅度的灵敏度。

技术领域

本发明涉及微波电场强度领域，具体涉及一种提高微波电场幅度测量灵敏度的装置和方法。

背景技术

里德堡原子由于具有大的电偶极矩，对外场十分敏感，相邻里德堡能级的跃迁频率在微波波段，并且相邻里德堡态之间的跃迁偶极矩非常大，对微波十分敏感，因此在微波电场强度的测量、微波通讯等方面有非常大的应用前景。人们利用里德堡原子的电磁感应透明(EIT)和Autler-Townes(AT)分裂光谱来测量微波电场强度，这将为微波电场的测量提供了量子基准。在利用里德堡原子测量微波电场的实验中，当待测微波电场的强度大到足以引起明显的EIT-AT分裂时，人们可以利用EIT-AT分裂间距得到微波电场强度，具体见以下公式(1)：

其中，λ_p和λ_c分别为探测光和耦合光的波长；Δf_m为所测量的AT分裂间距；其中为考虑了反向传播的不同波长的探测光和耦合光与运动原子相互作用所造成的多普勒失配因子；为普朗克常数；为对应微波跃迁的电偶极矩。

满足这个关系的区域是可以追溯到普朗克常数的，室温下可直接追溯的微波电场强度的下限到5mV/cm，这只是一个大概的量级，具体的与所选择的原子能级以及光场的拉比频率有关。当待测微波电场的强度小到EIT-AT分裂不可区分时，就不能用EIT-AT分裂来表征微波电场的强度，此时人们用探测光强透过率的变化来表征待测微波电场强度的大小。相比于EIT-AT光谱分裂间距，探测光强透过更容易受到探测光、耦合光、原子温度、密度变化的影响，因此，如何能在待测微波电场强度很弱时，继续用EIT-AT光谱分裂间距来表征微波电场的强度是非常急需的方法和方案。拓展测量微波的AT分裂区的下限主要原理是提高里德堡原子EIT-AT分裂光谱的分辨率，目前已报道的方法有两类，一类是放大EIT-AT间距；一类是减小EIT的线宽，以提高EIT-AT分裂的光谱分辨。具体地，关于放大EIT-AT间距，可以将微波频率从共振改为失谐，增大同样微波电场强度下的EIT-AT分裂，如公式所示其中δ_RF为微波的失谐量(δ_RF＝f₀-f_RF；f₀为共振微波跃迁频率，f_RF为微波源的输出频率)，Δf₀是在δ_RF＝0时AT分裂的间距。通过使用微波失谐的方法，能够测量出比共振方法小约1/2的电场强度。关于压窄EIT线宽提高EIT-AT分裂光谱的分辨率，人们也做了很多努力。利用冷原子多普勒展宽小的优势可以减小EIT线宽，进而提高EIT-AT光谱分裂能力，Liao等人在冷原子样品中利用电磁感应透明吸收的间隔测量到的最低电场强度为100μV/cm。但冷原子需要昂贵和复杂的真空和激光冷却系统，不利于实际应用产品的开发。理论上，人们提出可以利用高精细度光学腔来压窄EIT本身的线宽以提高光谱的分辨率，模拟结果表明光谱分辨率可以提高20倍且可测量到的最小电场强度可以提高8倍。在此基础上，他们继续研究了里德堡原子的内腔反常色散，使得测量的灵敏度进一步提高了10倍。但是，这些理论方案还都没有实验进行验证。因此，在热原子蒸汽池中实现拓展测量微波电场的AT分裂区的下限，尤其是对弱微波电场的测量，是非常重要和急迫的。

发明内容