本發(fā)明屬于微波電場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，微波技術(shù)在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、材料科學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景。然而，微波電場(chǎng)的精確測(cè)量一直是該領(lǐng)域面臨的一大挑戰(zhàn)，尤其是在需要高靈敏度、高分辨率以及小型化設(shè)備的場(chǎng)合。傳統(tǒng)的微波電場(chǎng)測(cè)量方法，如探針法、天線法等，往往受限于測(cè)量靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、系統(tǒng)復(fù)雜度及體積大小等因素，難以滿足日益增長(zhǎng)的科研與工業(yè)需求。

2、在此背景下，基于量子傳感的微波電場(chǎng)測(cè)量方法應(yīng)運(yùn)而生，其中，利用里德堡原子作為傳感器的技術(shù)尤為引人注目。里德堡原子是一種具有高激發(fā)態(tài)的電子結(jié)構(gòu)，其外層電子與原子核之間的距離極大，導(dǎo)致其對(duì)外部電磁場(chǎng)較為敏感。這一特性使里德堡原子成為探測(cè)微弱電磁場(chǎng)，特別是微波電場(chǎng)的理想候選者。

3、然而，盡管基于里德堡原子的微波電場(chǎng)測(cè)量方法具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)。其中之一便是如何實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的小型化和快速化。傳統(tǒng)的基于里德堡原子的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置往往體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)使用；同時(shí)，測(cè)量過程耗時(shí)較長(zhǎng)，難以滿足快速測(cè)量的需求。

4、為了實(shí)現(xiàn)小型化、快速化的微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量，近幾年研究人員進(jìn)行了大量的研究和探索。其中，一種重要的思路是將里德堡原子氣體封裝在微小型的氣室中，并通過微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣室的集成化和小型化。同時(shí)，優(yōu)化激光器和探測(cè)器的設(shè)計(jì)，提高激光的穩(wěn)定性和探測(cè)器的靈敏度，以縮短測(cè)量時(shí)間并提高測(cè)量精度。

5、此外，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新型的微型化、集成化元件被廣泛應(yīng)用于微波電場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域。例如，微型激光器、微型光電探測(cè)器、微波天線等元件的出現(xiàn)，為基于里德堡原子的微波電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的小型化和快速化提供了有力支持。這些元件不僅體積小、重量輕，而且性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量需求。

6、現(xiàn)有技術(shù)中，已經(jīng)有部分研究人員嘗試通過優(yōu)化激光系統(tǒng)、改進(jìn)原子激發(fā)與探測(cè)技術(shù)等方式來減小測(cè)量裝置的體積和復(fù)雜度。但探測(cè)光和耦合光的頻率鎖定系統(tǒng)在一定程度上增加了測(cè)量裝置的復(fù)雜性。另外，這些嘗試大多集中在提高測(cè)量精度和靈敏度上，對(duì)于裝置的小型化和集成化關(guān)注不夠?？偟膩碚f，部分小型化嘗試可能犧牲了測(cè)量性能，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中無法達(dá)到預(yù)期效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法，利用小功率探測(cè)光和耦合光對(duì)微波電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)單頻點(diǎn)微波電場(chǎng)強(qiáng)度的快速精密測(cè)量。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：無需對(duì)探測(cè)光和耦合光進(jìn)行鎖頻，減少光路器件，能夠適用多頻段共存、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求等復(fù)雜情況。

2、本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法，包括如下步驟：

4、步驟一、第一探測(cè)光通過堿金屬原子氣室，將堿金屬原子氣室中的原子由基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，獲取堿金屬原子的多普勒吸收譜包絡(luò)；遍歷該吸收譜包絡(luò)找到第一探測(cè)光頻率鎖定的峰位，并自動(dòng)減少第一探測(cè)光頻率掃描范圍至頻率鎖定的預(yù)設(shè)峰位附近。

5、步驟二、第一耦合光掃描通過堿金屬原子氣室，其傳輸方向與第一探測(cè)光共線反向；第一耦合光與激發(fā)態(tài)原子相互作用，將堿金屬原子由激發(fā)態(tài)躍遷至第一里德堡態(tài)。

6、步驟三、向堿金屬原子氣室輻射待測(cè)微波電場(chǎng)，里德堡原子與待測(cè)微波電場(chǎng)相互作用，將堿金屬原子由第一里德堡態(tài)躍遷至第二里德堡態(tài)，并產(chǎn)生eit-at分裂光譜。

7、步驟四、基于獲取的eit-at分裂光譜，①若eit-at分裂間距可分辨，由其分裂間距確定待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度；②若獲取的eit-at分裂光譜的分裂間距不可分辨，減小第一耦合光頻率掃描范圍，向堿金屬原子氣室輻射一本振微波電場(chǎng)，通過頻譜儀獲取中頻信號(hào)。

8、步驟五、基于獲取的中頻信號(hào)，由原子超外差方法確定待測(cè)微波電場(chǎng)。

9、步驟四所述本振微波電場(chǎng)為已知微波電場(chǎng)，且其電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于待測(cè)微波電場(chǎng)。

10、對(duì)第一探測(cè)光、第一耦合光、待測(cè)微波電場(chǎng)和本振微波電場(chǎng)的開啟時(shí)序進(jìn)行設(shè)定，包括如下符號(hào)設(shè)定和步驟：

11、第一探測(cè)光開啟時(shí)刻tp，第一探測(cè)光開啟持續(xù)時(shí)間tp，操作間隔時(shí)間tint，第一耦合光開啟時(shí)刻tc，第一耦合光開啟持續(xù)時(shí)間tc，待測(cè)微波電場(chǎng)開啟時(shí)刻tsig，待測(cè)微波電場(chǎng)開啟持續(xù)時(shí)間tsig，本振微波電場(chǎng)開啟時(shí)刻tlo，本振微波電場(chǎng)開啟持續(xù)時(shí)間tlo，關(guān)閉第一探測(cè)光、第一耦合光、待測(cè)微波電場(chǎng)、本振微波電場(chǎng)時(shí)刻toff，關(guān)閉第一探測(cè)光、第一耦合光、待測(cè)微波電場(chǎng)、本振微波電場(chǎng)的持續(xù)時(shí)間toff。下一次第一探測(cè)光開啟時(shí)刻為tp1。

12、步驟①、第一探測(cè)光開啟后，持續(xù)時(shí)間為tp；

13、步驟②、第一耦合光延遲第一探測(cè)光tint開啟，即tc-tp＝tint，開啟持續(xù)時(shí)間為tc；

14、步驟③、待測(cè)微波電場(chǎng)延遲第一耦合光tint開啟，即tsig-tc＝tint，開啟持續(xù)時(shí)間為tsig；

15、步驟④、本振微波電場(chǎng)延遲待測(cè)微波電場(chǎng)tint開啟，即tlo-tsig＝tint，開啟持續(xù)時(shí)間為tlo；

16、步驟⑤、本振微波電場(chǎng)開啟并持續(xù)tlo后，關(guān)閉第一探測(cè)光、第一耦合光、待測(cè)微波電場(chǎng)、本振微波電場(chǎng)。即關(guān)閉時(shí)刻toff＝tlo+tlo，持續(xù)toff后，開啟下一次測(cè)量，進(jìn)入tp1，即tp1-toff＝toff。

17、所述的時(shí)序?yàn)?，tp+tint/4時(shí)刻獲取透過堿金屬原子的第一探測(cè)光光譜，若檢測(cè)為多普勒吸收譜包絡(luò)，則進(jìn)行步驟二；tc+tint/4時(shí)刻獲取透過堿金屬原子的第一探測(cè)光光譜，若檢測(cè)為eit光譜，則進(jìn)行步驟三；tsig+tint/4時(shí)刻獲取透過堿金屬原子的第一探測(cè)光光譜，若檢測(cè)為eit-at光譜，則進(jìn)行步驟四①部分，即根據(jù)eit-at分裂間距確定待測(cè)微波電場(chǎng)，若無法檢測(cè)出eit-at光譜，則進(jìn)行步驟四②部分，即用原子超外差方法確定待測(cè)微波電場(chǎng)。

18、由eit-at分裂間距或原子超外差方法確定待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度：

19、情況一：當(dāng)待測(cè)微波電場(chǎng)產(chǎn)生可分辨雙峰間距的eit-at分裂光譜時(shí)，根據(jù)eit-at分裂間距δfsig，通過下式得到待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度，

20、

21、其中，esig為待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度，為約化普朗克常量，δfsig為待測(cè)微波電場(chǎng)使里德堡原子產(chǎn)生可分辨的eit-at分裂間距，為第一里德堡態(tài)和第二里德堡態(tài)之間的躍遷偶極矩。

22、情況二：當(dāng)待測(cè)微波電場(chǎng)不足以產(chǎn)生可分辨雙峰間距的eit-at分裂光譜時(shí)，根據(jù)原子超外差方法，通過下式得到待測(cè)微波電場(chǎng)強(qiáng)度，

23、

24、其中，δtp表示探測(cè)光透過率的變化，elo為本振微波電場(chǎng)強(qiáng)度，δω表示待測(cè)微波電場(chǎng)esig與本振微波電場(chǎng)elo的頻率差，表示待測(cè)微波電場(chǎng)esig與本振微波電場(chǎng)elo的相位差。

25、第一探測(cè)光的中心波長(zhǎng)為780nm，通過小型外腔半導(dǎo)體激光器miniecl發(fā)出，將堿金屬原子由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。

26、第一耦合光的中心波長(zhǎng)為480nm，通過小型外腔半導(dǎo)體激光器miniecl發(fā)出，將堿金屬原子由激發(fā)態(tài)躍遷到第一里德堡態(tài)。

27、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量裝置，用于實(shí)現(xiàn)一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量方法。一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量裝置，包括第一激光器、第一二向色鏡、堿金屬原子氣室、第二激光器、第二二向色鏡、光電探測(cè)器、第一標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線、第二標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線。第一探測(cè)光由第一激光器輸出，經(jīng)第一二向色鏡反射進(jìn)入堿金屬原子氣室，然后透過第二二向色鏡，并進(jìn)入光電傳感器；第一耦合光由第二激光器輸出，經(jīng)第二二向色鏡反射進(jìn)入堿金屬原子氣室；第一標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線輻射待測(cè)微波電場(chǎng)，第二標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線輻射本振微波電場(chǎng)。

28、有益效果：

29、1、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法，利用第一探測(cè)光掃描通過堿金屬原子氣室，第一耦合光掃描通過堿金屬原子氣室，向堿金屬原子氣室輻射待測(cè)微波電場(chǎng)，獲取eit-at分裂光譜，得到待測(cè)微波電場(chǎng)；若eit-at分裂間距不可取，可同時(shí)向堿金屬原子氣室輻射本振微波電場(chǎng)，通過原子超外差方法得到待測(cè)微波電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量。

30、2、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法，激光器均采用miniecl激光器，其體積較小，在不影響測(cè)量精度的前提下，實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置的小型化。

31、3、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法，利用時(shí)序及電控在短時(shí)間內(nèi)減小探測(cè)光和耦合光的頻率掃描范圍，并完成微波電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量。無需對(duì)探測(cè)光和耦合光進(jìn)行鎖頻，使采用的測(cè)量裝置無穩(wěn)頻光路，光路簡(jiǎn)化、體積小、后期可維護(hù)性好。

32、4、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法，利用小功率探測(cè)光和耦合光對(duì)微波電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)單次校準(zhǔn)單次測(cè)量，降低激光器頻率漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高對(duì)微波電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量精度和效率。

33、5、本發(fā)明公開的一種基于里德堡原子的小型化微波電場(chǎng)強(qiáng)度快速測(cè)量方法，能夠?qū)崿F(xiàn)單頻點(diǎn)微波電場(chǎng)強(qiáng)度的快速精密測(cè)量。短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，使該方法在惡劣的環(huán)境下，不僅能測(cè)量微波電場(chǎng)的強(qiáng)度，還可測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)的變化情況。