基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及表面微弱高频微波场强测量技术，具体为一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法。本发明专利技术的技术特点：利用特别设计的样品吸收池结构实现对表面微弱微波场强的高灵敏度，高精确度的探测，通过里德堡态原子的量子相干效应可以将原子线的分裂和微波场强联系起来，这样可以将微波场强的测量溯源到原子跃迁线的频率标准，利用两者的线性关系可以实现此装置的自校准，同时由于高里德堡态对微弱微波场的高灵敏响应，可以使高频率微波场的探测灵敏度达到0.1mV/m甚至10mV/m。同时整个探测装置结构，稳定性强，对微波扰动很小。

【技术实现步骤摘要】
基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法
本专利技术涉及表面微弱高频微波场强测量技术，具体为一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法。
技术介绍
微波测量是对微波信号有关参数的测量技术,主要测量对象有：功率、频率或波长等。从1880年开始到现在,由赫兹开创的测量微波场的方法以及校准设备的标准几乎没有变化。微波电场强度的精确测量是射频信号设计的关键,对于避免在数字设备间的干扰,保证无线电设备附近人员的安全,以及进行现有传感器和测试设备的校准方面具有广泛的应用。在传统的微波测量中,微波设备与微波波长的尺寸相近，传感器的尺寸从几毫米到几厘米不等,占用了较大空间。而且在传感器的顶部使用了金属部件,特别是进行表面电磁场测量时，在测量中会产生明显的干扰，导致测量的灵敏度不高。同时这些传感器在参考测量设备中的校准耗费很高,不确定度为-0.5到+0.5dB之间。同时传统的测量技术在测量频率范围上受到局限,较好的热功率计,也只能测量频率在50G-110GHz范围的频率。因此发展新型的探测器一直以来都是电子信息领域特别是测量领域亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为解决目前传统微波测量技术在测量频率范围上受到局限且测量精度不高的技术问题，提供一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置和方法。本专利技术所述基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置是采用以下技术方案实现的：一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，包括第一步激发激光器、第二步激发激光器以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池；第一步激发激光器出射端通过光纤连接有光纤调制器；光纤调制器的出射端通过光纤与样品池的一个光纤耦合头相连接；第二步激发激光器的出射端通过光纤连接有光纤耦合/分束器；光纤耦合/分束器的一个出射端通过光纤与样品池的另一个光纤耦合头相连接；光纤耦合/分束器的另一个出射端通过光纤连接有光电探测器；还包括参考信号源，参考信号源的一个信号输出端与光纤调制器的信号输入端连接，参考信号源的另一个信号输出端连接有数字锁相放大器；光电探测器的信号输出端也与数字锁相放大器相连接；数字锁相放大器的信号输出端连接有信号采集装置；所述样品池及两个光纤耦合头的结构设置能够确保两个光纤耦合头的光路共线；第一步激发激光器出射的激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振；第二步激发激光器出射的激发光中心波长与样品原子的第一激发态到某个特定的里德堡态之间的跃迁共振。本专利技术的目的是提供一种基于量子测量的结构简单，灵敏度高，精确度高的进行表面微波场强探测的新型传感器技术以及相关装置。本专利技术是基于碱金属里德堡原子量子相干效应即电磁诱导透明效应进行微波场强测量的新型方法和相关装置。具体来讲，如图1所示，两束不同频率的激光分别进入特殊设计的样品池(如图2、3)，将样品池内的碱金属原子从基态激发到里德堡态，激发机制如图4所示(以铯原子为例)。样品池的设计是使双光子激发的两步激光采用对射的方式，这样样品原子能够同时与两束激发光发生作用，样品原子速度分布近似为零，这样当扫描激光频率时，探测第一步探测激光的光强变化，就可以获得高分辨的无多普勒里德堡态吸收光谱。当样品池下壁接近待测表面时，在微波场强的作用下，里德堡态原子在高能态之间发生能级移动，如图4虚线所示，扫描第一步激发光时可以获得电磁诱导透明的分裂光谱，通过光谱分裂的大小可以计算得到微波场强的大小。进一步的，两个光纤耦合头的角度可调；样品池内侧镀有宽带高反射膜；样品池采用石英玻璃加工。样品池使用石英玻璃设计，可以有效的减少对待测微波场的影响。本专利技术所述基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的方法是采用以下技术方案实现的：一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的方法，包括以下步骤：(1)、第一步激发激光器输出的激发光首先进入光纤调制器，被参考信号源提供的参考信号调制，然后耦合入光纤，并经过样品池上的第一光纤耦合头进入样品池并作用在样品原子上；第一步激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振，调节第一光纤耦合头的角度使得第一步激发光可以由第二光纤耦合头输出，再由光纤耦合/分束器输出到光电探测器；(2)、第二步激发激光器输出的激发光通过光纤耦合/分束器进入样品池上的第二光纤耦合头，扫描第二步激发光的波长，当波长共振在样品原子第一激发态到某个特定的里德堡态之间的共振跃迁处，则第二步激发光将被吸收；此时锁定第二步激发光的波长，扫描第一步激发激光器的波长，通过光电探测器可以获得相应电磁感应透明光谱信号；(3)、当样品池下表面接近待测微波场物体表面时，由于微波场强的影响将导致样品原子的里德堡态发生转移行为，此时扫描第一步激发光频率，电磁感应透明光谱上将发生分裂：①，式中ΩRF为微波场的拉比频率,其正比于微波场的场强E；λτ，λp分别为第二激发光与第一激发光的波长；(4)、光电探测器将采集到的电信号送入数字锁相放大器进行解调和放大，数据采集装置就可以获得高灵敏高分辨的EIT光谱，并在相应软件(LabVIEW软件)的支持下，根据公式①计算得出待测微波场的信号强度E。进一步的，样品池内充有处于饱和蒸汽压的铯原子蒸汽；所述第一步激发光中心波长为852.36nm；所述第二步激发光中心波长为510nm。进一步的，所述光电探测器采用高灵敏光电探侧器。样品池采用内壁镀宽带高反射率膜的设计，镀膜带宽覆盖400-900nm，以及特殊设计的光路结构可以使得激光在样品池内多次反射，如图2中样品池内虚线所示的光路，有效提高了光与原子相互作用的路径长度，增强了测量信号的信噪比。使激光在样品池内多次反射是本领域的常规手段。同时本方案采用光纤调制器对第一步激发光进行频率调制，吸收信号通过高灵敏的光电探测器进入数字锁相放大器进行解调放大可以获得高信噪比的吸收光谱。本专利技术的技术特点：利用特别设计的样品吸收池结构实现对表面微弱微波场强高的灵敏度，高精确度的探测，通过里德堡态原子的量子相干效应可以将原子线的分裂和微波场强联系起来，这样可以将微波场强的测量溯源到原子跃迁线的频率标准，利用两者的线性关系可以实现此装置的自校准，同时由于高里德堡态对微弱微波场的高灵敏响应特点,可以实现高频率微波场的探测，探测灵敏度可以达到0.1mV/m甚至10μV/m。同时整个装置结构简单稳定，对待测微波场的扰动很小。附图说明图1是本专利技术所述的基于里德堡原子量子相干效应的表面微弱微波场高灵敏探测装置结构示意图。图2为所述的样品池的结构示意图。图3为样品池测量方式示意图。图4为所述的两步激光激发里德堡原子以及微波场作用下里德堡能级分裂的示意图。1-第一步激发激光器(DL100，Toptica)，2-第二步激发激光器(SHG110，Toptica)，3-光纤调制器，4-样品池，5-光纤耦合/分束器，6-参考信号源，7-数字锁相放大器(SR830，StanfordResearch)，8-光电探测器，9-信号采集装置，10-待测微波场物体,a-第一光纤耦合头,b-第二光纤耦合头。具体实施方式一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，包括第一步激发激光器1、第二步激发激光器2以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，其特征在于，包括第一步激发激光器(1)、第二步激发激光器(2)以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池(4)；第一步激发激光器(1)出射端通过光纤连接有光纤调制器(3)；光纤调制器(3)的出射端通过光纤与样品池(4)的一个光纤耦合头相连接；第二步激发激光器(2)的出射端通过光纤连接有光纤耦合/分束器(5)；光纤耦合/分束器(5)的一个出射端通过光纤与样品池(4)的另一个光纤耦合头相连接；光纤耦合/分束器(5)的另一个出射端通过光纤连接有光电探测器(8)；还包括参考信号源(6)，参考信号源(6)的一个信号输出端与光纤调制器(3)的信号输入端连接，参考信号源(6)的另一个信号输出端连接有数字锁相放大器(7)；光电探测器(8)的信号输出端也与数字锁相放大器(7)相连接；数字锁相放大器(7)的信号输出端连接有信号采集装置(9)；所述样品池(4)及两个光纤耦合头的结构设置能够确保两个光纤耦合头的光路共线；第一步激发激光器(1)出射的激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振；第二步激发激光器(2)出射的激发光中心波长与样品原子的第一激发态到某个特定的里德堡态之间的跃迁共振。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，其特征在于，包括第一步激发激光器(1)、第二步激发激光器(2)以及内部充有样品原子蒸汽且外侧两端分别设有一个光纤耦合头的样品池(4)；第一步激发激光器(1)出射端通过光纤连接有光纤调制器(3)；光纤调制器(3)的出射端通过光纤与样品池(4)的一个光纤耦合头相连接；第二步激发激光器(2)的出射端通过光纤连接有光纤耦合/分束器(5)；光纤耦合/分束器(5)的一个出射端通过光纤与样品池(4)的另一个光纤耦合头相连接；光纤耦合/分束器(5)的另一个出射端通过光纤连接有光电探测器(8)；还包括参考信号源(6)，参考信号源(6)的一个信号输出端与光纤调制器(3)的信号输入端连接，参考信号源(6)的另一个信号输出端连接有数字锁相放大器(7)；光电探测器(8)的信号输出端也与数字锁相放大器(7)相连接；数字锁相放大器(7)的信号输出端连接有信号采集装置(9)；所述样品池(4)及两个光纤耦合头的结构设置能够确保两个光纤耦合头的光路共线；第一步激发激光器(1)出射的激发光中心波长与样品原子的基态和第一激发态的跃迁共振；第二步激发激光器(2)出射的激发光中心波长与样品原子的第一激发态到某个特定的里德堡态之间的跃迁共振；所述样品池(4)呈扁平结构且采用石英玻璃加工制成，两个光纤耦合头分别设在样品池(4)上表面的左右两侧，样品池(4)的上下内侧面镀宽带高反射率膜，使得激光在样品池(4)内获得多次反射，样品池(4)的上表面两侧光纤耦合头入射角度可调，可以使得两束光共线。2.如权利要求1所述的基于电磁诱导透明效应测量高频微波场强的装置，其特征在于，样品池(4)内充有处于饱和蒸汽压的铯原子蒸汽；所述第一步激发光中心波长为852.36nm；所述第二步激发光中心波长为510nm。3.采用如权利要求1所述的基于电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张临杰，杨文广，赵建明，贾锁堂，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14