[发明专利]一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法

说明书

本发明公开了一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法，系统包括：里德堡原子微波电场传感器、微波辐射单元、微波幅度调制单元和测量单元。本发明利用幅度调制局域微波电场幅度的方法，将待测微波电场的相位直接映射到里德堡原子混频器输出的拍频信号的振幅上。传统的里德堡原子混频器，只能把微波的相位信息传递到拍频信号的相位上，因此需要通过将拍频信号的波形与参考波形比较才能得到待测微波电场的相位。该方案将微波的相位信息同时传递到拍频信号的幅度和相位上，通过直接读取拍频信号的幅度，就可以得到微波的相位，也就是直接将鉴相器集成在里德堡原子混频器中，实现了里德堡原子鉴相器。

技术领域

本发明涉及微波电场强度的测量，具体涉及一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法。

背景技术

精确测量射频信号的相位在雷达、通信、遥感等方面有重要应用。例如，用待传输的数字信号对连续的载波微波进行调制和解调，以实现信号的写入和读取，其思路之一是正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation,QAM)[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]，其中关键环节就是微波相位的识别。这就需要传感器对电磁波信号有“相干性响应”，即能将载波相位信息保留、继承和转化，这是对相位敏感的传感器的核心性能。相比于传统的微波传感器，比如偶极天线，基于里德堡原子的微波电场量子传感器具有精度高、灵敏度高、带宽大、尺寸小、不易被侦查等诸多优势，近几年来受到越来越多的重视[NaturePhysics,8,819-824(2012)]。相位信息通常通过干涉被转化为更容易测量的强度信息。在目前流行的微波量子传感器装置中，这种相干性在响应探测光透射光强的光电探测器(PD)处损失，其原因是PD的带宽有限，无法直接探测微波的振荡信息，因此只能探测振幅信息，故相位到强度的转化需在这一步骤之前实现[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]。2019年，人们首次利用里德堡原子作为混频器展示了微波相位的测量[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]，里德堡原子混频器的原理是将信号微波电场和与其频率相近的局域微波电场(简称LO微波电场)，共同作用在里德堡原子微波电场传感器，形成拍频信号，此时信号微波电场的相位信息就传递到低频拍频信号的相位，从而可以通过一般的光电探测器获取。具体做法是通过比较拍频信号与参考信号，得到微波的相位信息。或者将拍频信号和参考信号送到传统的鉴相器中，将相位信息转换成电压信号。传统的里德堡原子混频器，只能把微波的相位信息传递到拍频信号的相位上，因此需要通过将拍频信号的波形与参考波形比较才能得到待测微波电场的相位。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种里德堡原子微波鉴相器系统及其相位测量方法，可以直接在原子传感器中将微波相位与参考波进行比较，然后直接读取的拍频信号幅度可以直接得到微波的相位，更直接和简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种里德堡原子微波鉴相器系统，所述系统包括：里德堡原子微波电场传感器、微波辐射单元、微波幅度调制单元和测量单元；

所述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向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后所述电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过所述探测光在所述电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量所述微波电场的强度变化；

所述辐射单元，用于将待测微波电场和局域微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到拍频信号，所述拍频信号的频率为所述待测微波电场和所述局域微波电场的频率差；

所述幅度调制单元，用于通过幅度调制器对所述局域微波电场进行幅度调制，将幅度调制的频率设置为所述拍频信号的频率且幅度调制的深度小于30％，得到所述待测微波电场的相位与所述拍频信号的振幅之间的变化关系；