CN112415284A - 基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学超材料与微波电场测量的交叉领域，具体涉及一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，包括第一激光器、第一光纤偏振器、第一光纤接口、第一GRIN透镜、第二激光器、第二光纤偏振器、第二光纤接口、第二GRIN透镜、超表面结构、光电探测器、真空碱金属原子气室，本发明的优点在于：本发明实现了原子气室的集成化和小型化；本发明利用全介质的材料进行设计，提高了测量精度；本发明进行测量时无需调节光路，接入光纤即可，使用非常方便，而且体积小，放置方便，适用于各种复杂的环境；本发明利用光纤进行光的传输，摆脱了激光器的限制，实现了原子气室的便携化，极大地提高了该***的实用性。
Description
技术领域
本发明属于光学超材料与微波电场测量的交叉领域，具体涉及一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置。
背景技术
随着激光技术的不断发展，利用里德堡原子的量子相干效应进行微波电场测量的研究得到极大促进。基于里德堡原子的微波电场测量实验***主要由三个关键部件构成：原子气室，激光器，光电探测器。用于探测微波电场的里德堡原子***中常采用碱金属原子作为激发对象，其对于进入气室的激光的光斑大小和偏振态是有要求的。原子气室通常为密封的透明玻璃腔室，里面装有碱金属蒸气与惰性缓冲气体(李新坤,蔡玉珍,郑建朋等，碱金属原子气室研究进展[J].导航与控制,2020,v.19；No.83(01):130-137.)，通过两束不同波长的激光对向传输，将碱金属原子激发到里德堡态，分别称为探测光和耦合光，其中对微波场的测量是通过测量探测光来实现的。
探测光和耦合光在进入气室之前，需要经过调节调整到适合的状态才能实现里德堡态的激发，如图1所示。由于激光器输出的是高斯光，在空间中容易扩散，所以需要先通过准直器进行准直变成平行光，才可以在空间中进行传播。然后通过起偏器把激光调成线偏振光，以适应微波场的极化方向。最后通过一个汇聚透镜将光斑调整到适合的大小进入原子气室。两束光的分离是通过二向色镜实现的，右侧的耦合光直接通过二向色镜进入原子气室，左侧的探测光则被二向色镜反射进入光电探测器进行检测。这种方案所用器件多，占用空间大，调节时间长且难度大，给实际应用带来了很多困难。
近年来国内外关于这套光路的便携化做了一些改进，主要是改为采用光纤进行光的传输，因为图1中大部分器件的功能都可以通过对应的光纤器件来实现(Simons M T,Gordon J A,Holloway C L.Fiber-coupled vapor cell for a portable Rydberg atom-based radio frequency electric field sensor[J].Applied Optics,2018,57(22):6456.)。其中，GRIN透镜的功能比较强大，可以同时实现光束的准直和扩束功能，不再需要汇聚透镜进行调节，可以大大节省空间(廖延彪,黎敏.光纤光学(第二版)[M].清华大学出版社:三河市,2000:115.)。但是这种方案仍然需要二向色镜来把两束激光分离出来，在实际应用中仍然需要繁琐的调校。
传统的光路设计还依赖于光学平台，占用空间大，调节复杂，这就对使用环境产生了很大的限制，而且光学平台上的一些金属器件也会对微波场的测量造成极大的影响。因此，使用传统的光路设计方案，不能发挥出里德堡原子测量微波场的各种优势。
发明内容
有鉴于此，针对上述问题，本发明提供一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，以达到测量装置集成、实用的目的。
本发明采用的技术方案为：一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，包括第一激光器1、第一光纤偏振器3、第一光纤接口5、第一GRIN透镜7、第二激光器2、第二光纤偏振器4、第二光纤接口6、第二GRIN透镜8、超表面结构9、光电探测器10、真空碱金属原子气室11，第一激光器1和第一光纤偏振器3之间、第一光纤偏振器3和第一光纤接口5之间、第二激光器2和第二光纤偏振器4之间、第二光纤偏振器4和第二光纤接口6之间均通过光纤连接，第一光纤接口5、第二光纤接口6、第一GRIN透镜7、第二GRIN透镜8、超表面结构9均集成在真空碱金属原子气室11的玻璃侧壁上，其中第一光纤接口5位于真空碱金属原子气室11面向第一光纤偏振器3所在方向的外侧玻璃壁的外表面，第一GRIN透镜7与第一光纤接口5就该外侧玻璃壁的外表面成类似镜像分布(因为第一GRIN透镜7与第一光纤接口5的大小形状均不一样，但又分布在外侧玻璃壁的外表面两侧，所以此处用类似镜像分布来描述)；第二光纤接口6位于真空碱金属原子气室11面向第二光纤偏振器4所在方向的外侧玻璃壁的外表面，第二GRIN透镜8与第二光纤接口6就该外侧玻璃壁的外表面成类似镜像分布；超表面结构9位于真空碱金属原子气室11面向第二光纤偏振器4所在方向的内侧玻璃壁。所述第一激光器1用于产生探测光；所述第一激光器2用于产生耦合光；所述第一光纤偏振器3和光纤偏振器4分别作为第一激光器1和第二激光器2产生的光的起偏元件，将光转换为垂直极化的线偏振光；所述第一光纤接口5用于将光纤中的探测光引入第一GRIN透镜7中；所述第二光纤接口6用于将光纤中的耦合光引入第二GRIN透镜8中；所述第一GRIN透镜7用于探测光的准直和扩束，调节探测光至原子气室所需的状态；所述第二GRIN透镜8用于耦合光的准直和扩束，调节探耦合光至原子气室所需的状态；所述超表面9用于探测光和耦合光的不同折射，对耦合光的偏折可以忽略不计而对探测光的偏折大；所述真空碱金属原子气室11用于储存碱金属原子蒸汽；第一激光器1产生的探测光经过第一光纤起偏器3、第一光纤接口5进入第一GRIN透镜7，然后进入真空碱金属原子气室11内部，将碱金属原子最外层电子由基态|1>激发至中间态|2>，然后经过超表面结构9发生异常偏折后进入光电探测器10；第二激光器2产生的耦合光经过第二光纤起偏器4、第二光纤接口6进入第二GRIN透镜8，然后经超表面结构9进入真空碱金属原子气室11内部，将碱金属原子最外层电子由中间态|2>激发至里德堡态|3>，产生电磁诱导透明(EIT)现象，探测光的透射增强，如果此时存在微波电场，那么探测光的透射峰会出现***(EIT-AT)现象；所述光电探测器10用于探测探测光因EIT-AT效应而产生的两透射峰之间的***宽度，根据光电探测器10探测到的探测光透射峰的***宽度即可计算出微波电场的电场强度。
所述微波电场的电场强度的计算公式如下：
其中，
为约化普朗克常数，Δυ为EIT-AT透射峰的***宽度，μ为里德堡原子微波跃迁的跃迁偶极矩。
所述第一激光器1为光纤激光器，产生的探测光中心波长为852nm。
所述第二激光器2为光纤激光器，产生的耦合光中心波长为510nm。
所述第一光纤偏振器3为光纤偏振控制器FPC563，工作波长780-970nm。
所述第二光纤偏振器4为光纤偏振控制器CPC250，对波长变化、振动和光纤种类不敏感。
所述第一光纤接口5、第二光纤接口6均为FC/PC接口，通过胶合的方式加工在真空碱金属原子气室11外侧壁的外表面。
所述第一GRIN透镜7、第二GRIN透镜8均采用离子注入的方式直接加工在真空碱金属原子气室11外侧壁的内表面，为圆柱体结构，材料为石英玻璃。
所述超表面结构9是在真空碱金属原子气室11的内侧壁上镀上一层非晶硅，并采用刻蚀的方法刻蚀出周期结构。
所述真空碱金属原子气室11为特制的玻璃高真空腔，立方体或圆柱体结构，尺寸在厘米量级，玻璃壁厚的尺寸在厘米量级。
所述真空碱金属原子气室11中的碱金属原子为铯原子。
所述光电探测器10为APD130A/M，用于探测探测光的透射峰和透射峰的***宽度，工作波长400nm-1000nm。
相比于现有的光路设计，本发明的优点在于：
1.本发明利用超表面结构替代了大部分光学器件的功能，实现了原子气室的集成化和小型化；
2.本发明利用全介质的材料进行设计，实验时不需要光学平台的支撑，无需考虑结果本身中的金属对微波场测量的影响，提高了测量精度；
3.本发明进行测量时无需调节光路，接入光纤即可，使用非常方便，而且体积小，放置方便，适用于各种复杂的环境；
4.本发明利用光纤进行光的传输，摆脱了激光器的限制，实现了原子气室的便携化；并且可以将原子气室放置在距离激光器很远的地方使用，极大地提高了该***的实用性。
附图说明
图1是现有的基于里德堡原子测量微波电场的结构组成图；
图2是本发明设计的基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置的结构组成图；
图3是GRIN透镜准直扩束的原理图；
图4是超表面结构的一个周期的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明亦可通过其他不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰和变更。
图2为本发明的一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置的结构组成图。如图2所示，本发明一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，包括第一激光器1、第一光纤偏振器3、第一光纤接口5、第一GRIN透镜7、第二激光器2、第二光纤偏振器4、第二光纤接口6、第二GRIN透镜8、超表面结构9、光电探测器10、碱金属原子气室11，其中第一光纤接口5、第二光纤接口6、第一GRIN透镜7、第二GRIN透镜8、超表面结构9均集成在真空碱金属原子气室11上。常规的原子气室的壁在毫米量级，不能够实现本发明的方案，因此本发明需要将原子气室的壁加厚到厘米量级。
其中，使用离子注入的方法改变真空碱金属原子气室11相应位置的折射率，使其形成第一GRIN透镜7和第二GRIN透镜8，折射率变化规律为n2(r)＝n2(0)[1-r2Acos2θ0]，r为光线离GRIN透镜中心的径向距离，n(0)为中心轴上的折射率，n(r)为r处的折射率，θ0为入射光线的折射角，
P为周期长度。那么透镜内光线的轨迹为正弦形式
其中z为距离中心轴的长度，r0为光线最大振幅处的半径，如图3所示。若取P/4作为第一GRIN透镜7和第二GRIN透镜8的长度，那么光线轨迹只有正弦波一个周期的1/4，输入点光源即可输出扩束后的平行光。
在真空碱金属原子气室11的内侧玻璃壁上面向第二光纤偏振器4所在方向的位置镀上一层非晶硅，采用刻蚀的方法加工一层超表面结构9，原理是亚波长的纳米柱结构会引起光相位的突变，根据广义折射定律
可知会导致异常偏折，其中θt为折射角，θi为入射角，λ0为入射光线的波长，nt和ni是两种介质的折射率，
为相位突变。超表面结构一个周期的结构如图4所示，周期个数由超表面表面大小决定，上面的纳米柱的个数通常根据相变dΦ来确定。超表面结构9的参数选择原则：为了增大超表面结构9对探测光的偏折并最大限度地减小对耦合光的偏折，需要选择折射率在耦合光波长处更大的材料(相比于探测光)，这是因为耦合光的入射角为零，
其折射角与折射率成反比；为了保证超表面结构9的周期结构之间的相位差一致，相变dΦ一般选择能够整除2π的数值，如
等等；每个单元的大小dx通常在亚波长尺度；为了方便加工，纳米柱高在保证透射率的情况下尽量做得比较小，防止折断。根据前述的条件设置，对纳米柱半径进行扫描，找到能够实现相变dΦ的一组数据。
本发明基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置的基本工作原理是：首先第一激光器产生探测光，进入真空碱金属原子气室，将其内的碱金属原子的最外层电子由基态激发到中间态；然后第二激光器产生耦合光，进入真空碱金属原子气室，将其内的碱金属原子的最外层电子由中间态激发到里德堡态，并且产生EIT(电磁诱导透明)现象。如果此时存在外部的微波电场，那么将产生EIT-AT(探测光的透射峰发生***)现象，通过光电探测器测量出***线宽，即可计算出所测微波电场的电场强度。
所述微波电场的电场强度的计算公式如下：
其中，
为约化普朗克常数，Δυ为EIT-AT透射峰的***宽度，μ为里德堡原子微波跃迁的跃迁偶极矩。
在本发明具体实施例中，真空碱金属原子气室11的材质为石英玻璃，里面充满了碱金属原子蒸汽，碱金属原子为铯原子(133Cs)；第一GRIN透镜7和第二GRIN透镜8采用离子注入的方法得到；超表面结构9的纳米柱的材质为非晶硅，选择相位突变dΦ为
单元长度dx为300nm，纳米柱高300nm，一个周期2π内6个纳米柱的半径依次为50nm、80nm、92nm、102nm、114nm、134nm。第一激光器1产生波长为852nm的探测光，经过第一光纤偏振器3变成线偏振光，然后经过第一光纤接口5进入第一GRIN透镜7，实现准直和扩束的功能，光斑大小由5.5μm扩大到360μm，进入真空碱金属原子气室11内部将铯原子最外层电子由基态6S1/2激发到中间态6P3/2，最后经过超表面结构9发生异常偏折进入光电探测器10；第二激光器2产生波长为510nm的耦合光，经过第二光纤准直器4和第二光纤接口6进入第二GRIN透镜8，实现准直和扩束的功能，光斑大小由5.5μm扩大到494μm，进入真空碱金属原子气室11内部将铯原子最外层电子由中间态6P3/2激发到里德堡态49P1/2，产生EIT(电磁诱导透明)现象，探测光的透射增强；如果此时存在微波电场，那么微波电场会耦合里德堡态49P1/2和另一个里德堡态(由微波频率决定)，并产生EIT-AT(探测光的透射峰发生***)现象，光电探测器10检测到852nm探测光透射峰的***线宽，根据公式
即可计算得到微波电场的电场强度。超表面结构9选择相位突变dΦ为
单元长度dx为300nm，纳米柱高300nm，扫参后得到一个周期2π内6个纳米柱的半径依次为50nm、80nm、92nm、102nm、114nm、134nm。根据广义折射定律计算探测光的折射角
而对于耦合光，该结构引发的相位突变只有3°，可得其折射角为
在原子气室中心两束光的重叠率随气室长度和光斑半径而变化，但是保持在60％以上，能够达到实验目标。
以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是想要将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。
Claims (11)
1.一种基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：包括第一激光器(1)、第一光纤偏振器(3)、第一光纤接口(5)、第一GRIN透镜(7)、第二激光器(2)、第二光纤偏振器(4)、第二光纤接口(6)、第二GRIN透镜(8)、超表面结构(9)、光电探测器(10)、真空碱金属原子气室(11)，第一激光器(1)和第一光纤偏振器(3)之间、第一光纤偏振器(3)和第一光纤接口(5)之间、第二激光器(2)和第二光纤偏振器(4)之间、第二光纤偏振器(4)和第二光纤接口(6)之间均通过光纤连接，第一光纤接口(5)、第二光纤接口(6)、第一GRIN透镜(7)、第二GRIN透镜(8)、超表面结构(9)均集成在真空碱金属原子气室(11)的玻璃侧壁上，其中第一光纤接口(5)位于真空碱金属原子气室(11)面向第一光纤偏振器(3)所在方向的外侧玻璃壁的外表面，第一GRIN透镜(7)与第一光纤接口(5)就该外侧玻璃壁的外表面成类似镜像分布；第二光纤接口(6)位于真空碱金属原子气室(11)面向第二光纤偏振器(4)所在方向的外侧玻璃壁的外表面，第二GRIN透镜(8)与第二光纤接口(6)就该外侧玻璃壁的外表面成类似镜像分布；超表面结构(9)位于真空碱金属原子气室(11)面向第二光纤偏振器(4)所在方向的内侧玻璃壁。所述第一激光器(1)用于产生探测光；所述第一激光器(2)用于产生耦合光；所述第一光纤偏振器(3)和光纤偏振器(4)分别作为第一激光器(1)和第二激光器(2)产生的光的起偏元件，将光转换为垂直极化的线偏振光；所述第一光纤接口(5)用于将光纤中的探测光引入第一GRIN透镜(7)中；所述第二光纤接口(6)用于将光纤中的耦合光引入第二GRIN透镜(8)中；所述第一GRIN透镜(7)用于探测光的准直和扩束，调节探测光至原子气室所需的状态；所述第二GRIN透镜(8)用于耦合光的准直和扩束，调节探耦合光至原子气室所需的状态；所述超表面(9)用于探测光和耦合光的不同折射，对耦合光的偏折可以忽略不计而对探测光的偏折大；所述真空碱金属原子气室(11)用于储存碱金属原子蒸汽；第一激光器(1)产生的探测光经过第一光纤起偏器(3)、第一光纤接口(5)进入第一GRIN透镜(7)，然后进入真空碱金属原子气室(11)内部，将碱金属原子最外层电子由基态|1>激发至中间态|2>，然后经过超表面结构(9)发生异常偏折后进入光电探测器(10)；第二激光器(2)产生的耦合光经过第二光纤起偏器(4)、第二光纤接口(6)进入第二GRIN透镜(8)，然后经超表面结构(9)进入真空碱金属原子气室(11)内部，将碱金属原子最外层电子由中间态|2>激发至里德堡态|3>，产生EIT现象，探测光的透射增强，如果此时存在微波电场，那么探测光的透射峰会出现EIT-AT现象；所述光电探测器(10)用于探测探测光因EIT-AT效应而产生的两透射峰之间的***宽度，根据光电探测器(10)探测到的探测光透射峰的***宽度即可计算出微波电场的电场强度；
所述微波电场的电场强度的计算公式如下：
其中，
为约化普朗克常数，Δυ为EIT-AT透射峰的***宽度，μ为里德堡原子微波跃迁的跃迁偶极矩。
2.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述第一激光器(1)为光纤激光器，产生的探测光中心波长为852nm。
3.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述第二激光器(2)为光纤激光器，产生的耦合光中心波长为510nm。
4.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述第一光纤偏振器(3)为光纤偏振控制器FPC563，工作波长780-970nm。
5.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述第二光纤偏振器(4)为光纤偏振控制器CPC250，对波长变化、振动和光纤种类不敏感。
6.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述第一光纤接口(5)、第二光纤接口(6)均为FC/PC接口，通过胶合的方式加工在真空碱金属原子气室(11)外侧壁的外表面。
7.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述第一GRIN透镜(7)、第二GRIN透镜(8)均采用离子注入的方式直接加工在真空碱金属原子气室(11)外侧壁的内表面，为圆柱体结构，材料为石英玻璃。
8.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述超表面结构(9)是在真空碱金属原子气室(11)的内侧壁上镀上一层非晶硅，并采用刻蚀的方法刻蚀出周期结构。
9.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述真空碱金属原子气室(11)为特制的玻璃高真空腔，立方体或圆柱体结构，尺寸在厘米量级，玻璃壁厚的尺寸在厘米量级。
10.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述真空碱金属原子气室(11)中的碱金属原子为铯原子。
11.一种根据权利要求1所述基于里德堡原子的便携式微波电场测量装置，其特征在于：所述光电探测器(10)为APD130A/M，用于探测探测光的透射峰和透射峰的***宽度，工作波长400nm-1000nm。
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