基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面微弱高頻微波場強測量技術(shù)，具體為一種基于電磁誘導透明效應(yīng) 測量高頻微波場強的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波測量是對微波信號有關(guān)參數(shù)的測量技術(shù)，主要測量對象有：功率、頻率或波 長等。從1880年開始到現(xiàn)在，由赫茲開創(chuàng)的測量微波場的方法以及校準設(shè)備的標準幾乎 沒有變化。微波電場強度的精確測量是射頻信號設(shè)計的關(guān)鍵，對于避免在數(shù)字設(shè)備間的干 擾，保證無線電設(shè)備附近人員的安全，以及進行現(xiàn)有傳感器和測試設(shè)備的校準方面具有廣 泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)的微波測量中，微波設(shè)備與微波波長的尺寸相近，傳感器的尺寸從幾毫 米到幾厘米不等，占用了較大空間。而且在傳感器的頂部使用了金屬部件，特別是進行表 面電磁場測量時，在測量中會產(chǎn)生明顯的干擾，導致測量的靈敏度不高。同時這些傳感器在 參考測量設(shè)備中的校準耗費很高，不確定度為-0.5到+0.5dB之間。同時傳統(tǒng)的測量技術(shù) 在測量頻率范圍上受到局限，較好的熱功率計，也只能測量頻率在50G-110GHZ范圍的頻 率。因此發(fā)展新型的探測器一直以來都是電子信息領(lǐng)域特別是測量領(lǐng)域亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決目前傳統(tǒng)微波測量技術(shù)在測量頻率范圍上受到局限且測量精度不 高的技術(shù)問題，提供一種基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置和方法。
[0004] 本發(fā)明所述基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置是采用以下技術(shù)方 案實現(xiàn)的：一種基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置，包括第一步激發(fā)激光器、 第二步激發(fā)激光器以及內(nèi)部充有樣品原子蒸汽且外側(cè)兩端分別設(shè)有一個光纖耦合頭的樣 品池；第一步激發(fā)激光器出射端通過光纖連接有光纖調(diào)制器；光纖調(diào)制器的出射端通過光 纖與樣品池的一個光纖耦合頭相連接；第二步激發(fā)激光器的出射端通過光纖連接有光纖耦 合/分束器；光纖耦合/分束器的一個出射端通過光纖與樣品池的另一個光纖耦合頭相連 接；光纖耦合/分束器的另一個出射端通過光纖連接有光電探測器；還包括參考信號源，參 考信號源的一個信號輸出端與光纖調(diào)制器的信號輸入端連接，參考信號源的另一個信號輸 出端連接有數(shù)字鎖相放大器；光電探測器的信號輸出端也與數(shù)字鎖相放大器相連接；數(shù)字 鎖相放大器的信號輸出端連接有信號采集裝置；所述樣品池及兩個光纖耦合頭的結(jié)構(gòu)設(shè)置 能夠確保兩個光纖耦合頭的光路共線；第一步激發(fā)激光器出射的激發(fā)光中心波長與樣品原 子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的躍迀共振；第二步激發(fā)激光器出射的激發(fā)光中心波長與樣品原子 的第一激發(fā)態(tài)到某個特定的里德堡態(tài)之間的躍迀共振。
[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于量子測量的結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，精確度高的進行 表面微波場強探測的新型傳感器技術(shù)以及相關(guān)裝置。
[0006] 本發(fā)明是基于堿金屬里德堡原子量子相干效應(yīng)即電磁誘導透明效應(yīng)進行微波場 強測量的新型方法和相關(guān)裝置。具體來講，如圖1所示，兩束不同頻率的激光分別進入特殊 設(shè)計的樣品池（如圖2、3)，將樣品池內(nèi)的堿金屬原子從基態(tài)激發(fā)到里德堡態(tài)，激發(fā)機制如 圖4所示（以銫原子為例）。樣品池的設(shè)計是使雙光子激發(fā)的兩步激光采用對射的方式，這 樣樣品原子能夠同時與兩束激發(fā)光發(fā)生作用，樣品原子速度分布近似為零，這樣當掃描激 光頻率時，探測第一步探測激光的光強變化，就可以獲得高分辨的無多普勒里德堡態(tài)吸收 光譜。當樣品池下壁接近待測表面時，在微波場強的作用下，里德堡態(tài)原子在高能態(tài)之間發(fā) 生能級移動，如圖4虛線所示，掃描第一步激發(fā)光時可以獲得電磁誘導透明的分裂光譜，通 過光譜分裂的大小可以計算得到微波場強的大小。
[0007] 進一步的，兩個光纖耦合頭的角度可調(diào)；樣品池內(nèi)側(cè)鍍有寬帶高反射膜；樣品池 采用石英玻璃加工。樣品池使用石英玻璃設(shè)計，可以有效的減少對待測微波場的影響。
[0008] 本發(fā)明所述基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的方法是采用以下技術(shù)方 案實現(xiàn)的：一種基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的方法，包括以下步驟：（1)、第 一步激發(fā)激光器輸出的激發(fā)光首先進入光纖調(diào)制器，被參考信號源提供的參考信號調(diào)制， 然后耦合入光纖，并經(jīng)過樣品池上的第一光纖耦合頭進入樣品池并作用在樣品原子上；第 一步激發(fā)光中心波長與樣品原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的躍迀共振，調(diào)節(jié)第一光纖耦合頭的 角度使得第一步激發(fā)光可以由第二光纖耦合頭輸出，再由光纖耦合/分束器輸出到光電探 測器；
[0009] (2)、第二步激發(fā)激光器輸出的激發(fā)光通過光纖耦合/分束器進入樣品池上的第 二光纖耦合頭，掃描第二步激發(fā)光的波長，當波長共振在樣品原子第一激發(fā)態(tài)到某個特定 的里德堡態(tài)之間的共振躍迀處，則第二步激發(fā)光將被吸收；此時鎖定第二步激發(fā)光的波長， 掃描第一步激發(fā)激光器的波長，通過光電探測器可以獲得相應(yīng)電磁感應(yīng)透明光譜信號；
【主權(quán)項】
1. 一種基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置，其特征在于，包括第一步激 發(fā)激光器（1)、第二步激發(fā)激光器（2)以及內(nèi)部充有樣品原子蒸汽且外側(cè)兩端分別設(shè)有一 個光纖耦合頭的樣品池（4);第一步激發(fā)激光器（1)出射端通過光纖連接有光纖調(diào)制器 (3);光纖調(diào)制器（3)的出射端通過光纖與樣品池（4)的一個光纖耦合頭相連接；第二步激 發(fā)激光器（2)的出射端通過光纖連接有光纖親合/分束器（5);光纖親合/分束器（5)的 一個出射端通過光纖與樣品池（4)的另一個光纖耦合頭相連接；光纖耦合/分束器（5)的 另一個出射端通過光纖連接有光電探測器（8);還包括參考信號源（6)，參考信號源（6)的 一個信號輸出端與光纖調(diào)制器（3)的信號輸入端連接，參考信號源（6)的另一個信號輸出 端連接有數(shù)字鎖相放大器（7);光電探測器（8)的信號輸出端也與數(shù)字鎖相放大器（7)相 連接；數(shù)字鎖相放大器（7)的信號輸出端連接有信號采集裝置（9);所述樣品池（4)及兩個 光纖耦合頭的結(jié)構(gòu)設(shè)置能夠確保兩個光纖耦合頭的光路共線；第一步激發(fā)激光器（1)出射 的激發(fā)光中心波長與樣品原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的躍迀共振；第二步激發(fā)激光器（2)出 射的激發(fā)光中心波長與樣品原子的第一激發(fā)態(tài)到某個特定的里德堡態(tài)之間的躍迀共振。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置，其特征 在于，樣品池（4)內(nèi)充有處于飽和蒸汽壓的銫原子蒸汽；所述第一步激發(fā)光中心波長為 852. 36nm;所述第二步激發(fā)光中心波長為510nm。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置，其特征 在于，兩個光纖耦合頭的角度可調(diào)；樣品池（4)內(nèi)側(cè)鍍有寬帶高反射膜；樣品池（4)采用石 英玻璃加工。
4. 采用如權(quán)利要求1所述的基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置測量高 頻微波場強的方法，其特征在于，包括以下步驟：（1)、第一步激發(fā)激光器（1)輸出的激發(fā)光 首先進入光纖調(diào)制器（3)，被參考信號源（6)提供的參考信號調(diào)制，然后耦合入光纖，并經(jīng) 過樣品池（4)上的第一光纖耦合頭進入樣品池（4)并作用在樣品原子上；第一步激發(fā)光中 心波長與樣品原子的基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的躍迀共振，調(diào)節(jié)第一光纖耦合頭的角度使得第一 步激發(fā)光可以由第二光纖親合頭輸出，再由光纖親合/分束器（5)輸出到光電探測器（8); (2) 、第二步激發(fā)激光器（2)輸出的激發(fā)光通過光纖耦合/分束器（5)進入樣品池（4) 上的第二光纖耦合頭，掃描第二步激發(fā)光的波長，當波長共振在樣品原子第一激發(fā)態(tài)到某 個特定的里德堡態(tài)之間的共振躍迀處，則第二步激發(fā)光將被吸收；此時鎖定第二步激發(fā)光 的波長，掃描第一步激發(fā)激光器（1)的波長，通過光電探測器（8)可以獲得相應(yīng)電磁感應(yīng)透 明光譜信號； (3) 、當樣品池（4)下表面接近待測微波場物體（10)表面時，由于微波場強的影響將導 致樣品原子的里德堡態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移行為，此時掃描第一步激發(fā)光頻率，電磁感應(yīng)透明光譜上 將發(fā)生分裂：
式中Dkf為微波場的拉比頻率，其正比于微波場的場強E;AT，Ap分別為第二激發(fā)光 與第一激發(fā)光的波長； (4) 、光電探測器（8)將采集到的電信號送入數(shù)字鎖相放大器（7)進行解調(diào)和放大，數(shù) 據(jù)采集裝置（9)就可以獲得高靈敏高分辨的EIT光譜，并在相應(yīng)軟件的支持下，根據(jù)公式① 計算得出待測微波場的信號強度E。
5. 如權(quán)利要求4所述的基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的方法，其特征 在于，樣品池（4)內(nèi)充有處于飽和蒸汽壓的銫原子蒸汽；所述第一步激發(fā)光中心波長為 852. 36nm;所述第二步激發(fā)光中心波長為510nm。
6. 如權(quán)利要求4或5所述的基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的方法，其特征 在于，所述光電探測器（8)采用高靈敏光電探側(cè)器。
【專利摘要】本發(fā)明涉及表面微弱高頻微波場強測量技術(shù)，具體為一種基于電磁誘導透明效應(yīng)測量高頻微波場強的裝置和方法。本發(fā)明的技術(shù)特點：利用特別設(shè)計的樣品吸收池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對表面微弱微波場強的高靈敏度，高精確度的探測，通過里德堡態(tài)原子的量子相干效應(yīng)可以將原子線的分裂和微波場強聯(lián)系起來，這樣可以將微波場強的測量溯源到原子躍遷線的頻率標準，利用兩者的線性關(guān)系可以實現(xiàn)此裝置的自校準，同時由于高里德堡態(tài)對微弱微波場的高靈敏響應(yīng)，可以使高頻率微波場的探測靈敏度達到0.1mV/m甚至10mV/m。同時整個探測裝置結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性強，對微波擾動很小。
【IPC分類】G01R29-08, G01N21-63, G01N21-31
【公開號】CN104714110
【申請?zhí)枴緾N201510154887
【發(fā)明人】張臨杰, 楊文廣, 趙建明, 賈鎖堂
【申請人】山西大學
【公開日】2015年6月17日
【申請日】2015年4月2日