一种同轴结构宽带量子微波测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种宽带量子微波测量装置和方法。该测量装置具有类似于同轴线的量子‑微波互作用物理结构，具体包括内导体、外导体、填充介质和量子样品；TEM工作模式，装置简单，可在不更换物理系统的情况下实现宽频带量子微波测量；该方法通过在填充介质中设置一极小量子样品空间，使量子样品承载体材料即为微波场区背景材料，这种“为我所用”的设计策略可显著降低目前量子微波测量中量子样品承载体本身对待测微波信号的干扰，利于提升测量精度；同轴结构测量装置可通过阻抗变换实现与现行微波传输系统的直接连接，使其功能类比于常规微波传感器，方便用于微波传输系统的微波监测。此外，本发明专利技术还具有可溯源、小型化和易扩展等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种同轴结构宽带量子微波测量装置和方法
本专利技术涉及量子精密测量和微波工程领域，特别是涉及一种同轴结构宽带量子微波测量装置和方法。
技术介绍
微波场和微波功率的准确评估始终是微波工程、高精密测量仪器和电磁计量等领域一个核心课题，量子技术的兴起为这一课题提供了全新解决策略。特别是以原子作为微波场传感物质，利用原子-微波相互作用过程中原子跃迁Rabi频率与电/磁场强的正比关系(比例系数均为基本物理常数)，可实现电磁量到原子频率的直接转换。这种全新微波测量策略天然地具有自校准和可溯源至国际单位制(InternationalSystemofUnits)的优势，理论测量能力可突破传统限制，有望用于构建量子精密微波测量仪器和新型国家电磁标准，潜力巨大。近来，学术界针对电/磁场的原子测量开展了一系列极富成效的研究工作，如2010年瑞士P.Treutlein博士团队演示了基于共面波导的原子微波磁场探测装置(P.等“Imagingofmicrowavefieldsusingultracoldatoms”,AppliedPhysicsLetters,97(5),051101,2010)；2012年美国J.P.Shaffer教授团队演示了自由空间Rydberg原子微波电场探测装置(J.Sedlacek等“MicrowaveelectrometrywithRydbergatomsinavapourcellusingbrightatomicresonances”,NaturePhysics,8,819-824,2012)；2015年和2017年瑞士G.Mileti教授团队和中国电子科技大学团队分别报道了基于不同量子理论的腔基原子微波磁场探测装置(C.Affolderbach等“ImagingmicrowaveandDCmagneticfieldsinavapor-cellRbatomicclock”,IEEETransactionsonInstrumentationandMeasurement,64(12),3629-3637,2015；F.Sun等“MeasuringmicrowavecavityresponseusingatomicRabiresonances”,AppliedPhysicsLetters,111(5),051103,2017)；2018年美国NIST团队报道了基于矩形波导的原子微波功率标准(C.Holloway等“Aquantum-basedpowerstandard:usingRydbergatomsforaSI-traceableradio-frequencypowermeasurementtechniqueinrectangularwaveguides”,AppliedPhysicsLetters,113(9),094101,2018)。虽然量子微波测量已经成为国际前沿热点，但综合目前研究成果来看，其共性不足包括(不限于)以下几点：1、测量装置过于复杂，且量子-微波互作用结构工作带宽十分有限，测量不同频率信号常需更换微波激励结构，不适于工程应用；2、量子样品承载体(如碱金属原子玻璃气室)的材料属性与测量背景(如空气)不同，引起待测场扰动，进而导致测量结果不准确；3、仅考虑了自由空间、谐振腔和波导等应用场景，导致所开发的量子微波测量装置不能类比于现行通用微波功率传感器，限制了其实际应用。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种同轴结构宽带量子微波测量装置和方法：一种同轴结构宽带量子微波测量装置，包括：内导体、外导体、填充介质和量子样品；所述外导体按设定间距套设在所述内导体上；所述设定间距为b-a；其中，a为内导体的半径和填充介质的内半径，b为外导体的内半径和填充介质的外半径；所述填充介质均匀密填于所述外导体和内导体之间；所述填充介质中设置一样品空间；所述外导体上开设有用于激光通过的通光孔，且所述通光孔与所述样品空间共线设置；所述量子样品置于所述样品空间中，用于感知待测微波；所述内导体、所述外导体和所述填充介质构成同轴结构；所述同轴结构工作在TEM模式，允许对工作波长大于π(a+b)的待测微波信号进行基于量子的测量评估；所述内导体的半径和所述外导体的内半径均根据待测微波的频率、所述填充介质的相对介电常数和阻抗匹配要求进行确定；所述阻抗匹配要求是指根据公式确定得到的特性阻抗达到目标阻抗值；其中，Zc为特性阻抗，εr为填充介质的相对介电常数。优选的，所述样品空间的尺寸与所述通光孔的尺寸相等。优选的，所述内导体的形状为圆柱状；所述内导体的材质为铜。优选的，所述外导体为圆管状结构；所述外导体的材质为铜或不锈钢。优选的，所述填充介质为玻璃或聚四氟乙烯。优选的，所述通光孔的数量为一个或两个；当所述填充介质为聚四氟乙烯时，所述通光孔数量为一个；所述填充介质中开设有一光纤通道，所述通光孔、所述光纤通道和所述样品空间共线设置；当所述填充介质为玻璃时，所述通光孔数量为两个；两个所述通光孔均与所述样品空间共线设置。一种同轴结构宽带量子微波测量方法，应用于上述同轴结构宽带量子微波测量装置中；所述同轴结构宽带量子微波测量方法包括：根据所用量子样品获取待测微波的频率、确定填充介质及其相对介电常数；根据所述待测微波的频率、所述填充介质的相对介电常数和阻抗匹配要求确定测量装置中的导体半径；所述导体半径包括内导体的半径和外导体的内半径；所述阻抗匹配要求是指根据公式确定得到的特性阻抗达到目标阻抗值；其中，Zc为特性阻抗，a为内导体的半径和填充介质的内半径，b为外导体的内半径和填充介质的外半径，εr为填充介质的相对介电常数；通过微波-光-量子相互作用提取量子跃迁Rabi频率；根据所述Rabi频率确定待测微波场强；所述待测微波场强为微波磁场强度幅值或微波电场强度幅值；根据所述导体半径、所述相对介电常数和所述场强确定测量装置中传输的微波功率。优选的，所述根据所述待测微波的频率、所述填充介质的相对介电常数和阻抗匹配要求确定测量装置中的导体半径，具体包括：根据所述待测微波的频率限定所述导体半径，即确保微波测量在TEM模式下进行，限定关系如下：f＜c/[π(a+b)]；其中，f＝c/λ为待测微波的频率，λ为待测微波的波长，c为真空中光速；在前述限定关系下调整所述内导体的半径和外导体的内半径，直至满足所述阻抗匹配要求；所述目标阻抗值一般为现行常用同轴线阻抗值；所述常用同轴线阻抗值为50欧姆或75欧姆。优选的，所述根据所述Rabi频率确定待测微波场强，具体包括：采用公式根据所述Rabi频率确定待测微波场强；其中，Ω为Rabi频率，μ为跃迁矩阵元，为普朗克常数，S为场强。优选的，所述根据所述导体半径、所述相对介电常数和所述场强计算测量装置中传输的微波功率，具体包括：采用公式或根据所述导体半径、所述相对介本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，包括：内导体、外导体、填充介质和量子样品；/n所述外导体按设定间距套设在所述内导体上；所述设定间距为b-a；其中，a为内导体的半径和填充介质的内半径，b为外导体的内半径和填充介质的外半径；/n所述填充介质均匀密填于所述外导体和内导体之间；/n所述填充介质中设置一样品空间；所述外导体上开设有用于激光通过的通光孔，且所述通光孔与所述样品空间共线设置；/n所述量子样品置于所述样品空间中，用于感知待测微波；/n所述内导体、所述外导体和所述填充介质构成同轴结构；所述同轴结构工作在TEM模式，允许对工作波长大于π(a+b)的待测微波信号进行基于量子的测量评估；/n所述内导体的半径和所述外导体的内半径均根据待测微波的频率、所述填充介质的相对介电常数和阻抗匹配要求进行确定；所述阻抗匹配要求是指根据公式

【技术特征摘要】
1.一种同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，包括：内导体、外导体、填充介质和量子样品；
所述外导体按设定间距套设在所述内导体上；所述设定间距为b-a；其中，a为内导体的半径和填充介质的内半径，b为外导体的内半径和填充介质的外半径；
所述填充介质均匀密填于所述外导体和内导体之间；
所述填充介质中设置一样品空间；所述外导体上开设有用于激光通过的通光孔，且所述通光孔与所述样品空间共线设置；
所述量子样品置于所述样品空间中，用于感知待测微波；
所述内导体、所述外导体和所述填充介质构成同轴结构；所述同轴结构工作在TEM模式，允许对工作波长大于π(a+b)的待测微波信号进行基于量子的测量评估；
所述内导体的半径和所述外导体的内半径均根据待测微波的频率、所述填充介质的相对介电常数和阻抗匹配要求进行确定；所述阻抗匹配要求是指根据公式确定得到的特性阻抗达到目标阻抗值；其中，Zc为特性阻抗，εr为填充介质的相对介电常数。


2.根据权利要求1所述的同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，所述样品空间的尺寸与所述通光孔的尺寸相等。


3.根据权利要求1所述的同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，所述内导体的形状为圆柱状；所述内导体的材质为铜。


4.根据权利要求1所述的同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，所述外导体为圆管状结构；所述外导体的材质为铜或不锈钢。


5.根据权利要求1所述的同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，所述填充介质为玻璃或聚四氟乙烯。


6.根据权利要求1所述的同轴结构宽带量子微波测量装置，其特征在于，所述通光孔的数量为一个或两个；
当所述填充介质为聚四氟乙烯时，所述通光孔数量为一个；所述填充介质中开设有一光纤通道，所述通光孔、所述光纤通道和所述样品空间共线设置；
当所述填充介质为玻璃时，所述通光孔数量为两个；两个所述通光孔均与所述样品空间共线设置。


7.一种同轴结构宽带量子微波测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-6任意一项所述的同轴结构宽带量子微波...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙富宇，刘杰，李超，李孝峰，张首刚，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西;61