一种太赫兹电场测量方法、系统以及装置与流程

[0001]
本发明涉及量子精密测量领域，特别是一种太赫兹电场测量方法、系统以及装置。


背景技术：

[0002]
在各种频段的电磁波谱中，thz探测与微波、x射线、核磁共振探测相比，不仅能给出物体的密度信息，还能给出物性信息，如介电常数、折射率、吸收系数等。由于thz的特殊性质，thz技术在物体成像、医疗诊断、军事雷达等很多方面都有着十分重大的科学研究价值和应用的前景。相比于传统的电磁波成像，thz波的诸多特点使得其非常适用于成像应用。
[0003]
现有太赫兹电场测量技术主要通过太赫兹电光晶体太赫兹探测器进行thz电场测量，太赫兹电场使gap电光晶体的折射率发生改变，从而实现太赫兹的探测，但是目前使用gap电光晶体的成本高，并且获得高质量的gap电光晶体困难，从而造成对于太赫兹电场测量不够精准。


技术实现要素：

[0004]
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种太赫兹电场测量方法、系统以及装置。
[0005]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种太赫兹电场测量方法，所述方法包括：
[0006]
第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；
[0007]
第二激光系统发出高功率的泵浦光；
[0008]
基于所述高功率的泵浦光产生耦合光；
[0009]
基于所述一级泵浦光、探测光以及所述耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；
[0010]
将太赫兹源作用于所述原子气室；
[0011]
通过探测所述里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。
[0012]
可选地，所述第一激光系统为852nm激光系统；所述第一激光系统发出一级泵浦光和探测光，包括：
[0013]
通过所述852nm激光系统产生作用于原子跃迁线的一级泵浦光和探测光。
[0014]
可选地，所述第二激光系统包括1020nm激光系统和放大系统，所述第二激光系统发出高功率的泵浦光，包括：
[0015]
通过所述1020nm激光系统和放大系统，产生高功率的泵浦光；
[0016]
所述基于所述高功率的泵浦光产生耦合光，包括：
[0017]
通过倍频系统，基于所述泵浦光产生作用于激发态到里德堡态的510nm耦合光。
[0018]
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种太赫兹电场测量系统，所述太赫兹电场测量系统包括：
[0019]
所述太赫兹电场测量系统包括：第一激光系统、第二激光系统、放大系统、倍频系
统、铯原气室、激光探测系统以及太赫兹源；
[0020]
所述第一激光系统用于发出一级泵浦光和探测光；
[0021]
所述第二激光系统和所述放大系统产生高功率的泵浦光；
[0022]
所述倍频系统，基于所述高功率的泵浦光，产生作用于激发态到里德堡态的耦合光；
[0023]
将所述一级泵浦光、探测光以及所述耦合光，反向进入铯原子气室进行里德堡原子的制备；
[0024]
将太赫兹源作用于所述原子气室；
[0025]
通过所述激光探测系统探测所述里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。
[0026]
可选地，所述第二激光系统为1020nm的激光系统；
[0027]
通过所述1020nm的激光系统和放大系统，产生高功率的泵浦光；
[0028]
通过倍频系统，产生作用于激发态到里德堡态的510nm耦合光。
[0029]
可选地，所述第一激光系统为852nm激光系统，所述852nm激光系统包含852nm激光器、eom电光调制器以及852nm的饱和吸收装置，用于锁定852nm激光器到对应的原子跃迁线上。
[0030]
可选地，其特征在于，所述倍频系统，是由驻波场中加入ppktp线性极化晶体。
[0031]
可选地，所述铯原子气室是由石英玻璃制成的长方体装的空心结构；
[0032]
所述铯原子气室的上下表面设置有电极；
[0033]
所述铯原子气室的内部具有铯原子气体以及缓冲气体。
[0034]
可选地，所述激光探测系统为852nm雪崩光电探测器。
[0035]
可选地，所述太赫兹源包括太赫兹发生器和太赫兹喇叭天线。
[0036]
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种太赫兹电场测量系统装置，所述装置包括：
[0037]
第一发出模块，用于第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；
[0038]
第二发出模块，用于第二激光系统发出高功率的泵浦光；
[0039]
生成模块，用于基于所述高功率的泵浦光产生耦合光；
[0040]
制备模块，用于基于所述一级泵浦光、探测光以及所述耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；
[0041]
作用模块，用于将太赫兹源作用于所述原子气室；
[0042]
测量模块，用于通过探测所述里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。
[0043]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0044]
本发明实施例提供的方案，通过第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；第二激光系统发出高功率的泵浦光；基于高功率的泵浦光产生耦合光；基于一级泵浦光、探测光以及耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；将太赫兹源作用于原子气室；通过探测里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。本发明能够把碱金属原子制备到里德堡态，实现对亚thz波和thz波射频场的电场测量。利用里德堡eit测量方法不需要激光作用下的冷原子真空系统，室温即可操作，测量范围广，实验装置小巧便携等优点，更加实用
化，并且实现thz频段的多波频率的精密测量。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例提供的一种太赫兹电场测量方法的步骤流程图；
[0046]
图2是本发明实施例提供的太赫兹电场测量系统的结构示意图；
[0047]
图3是本发明实施例提供的原子能级跃迁图；
[0048]
图4是本发明实施例提供的1020nm激光产生510nm激光倍频系统图；
[0049]
图5是本发明实施例提供的带电极原子气室示意图；
[0050]
图6是本发明实施例提供的太赫兹电场测量装置的结构示意图。
具体实施方式
[0051]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0052]
参照图1，示出了本发明实施例提供的一种太赫兹电场测量方法的步骤流程图，如图1所示，该方法具体可以包括如下步骤：
[0053]
步骤110：第一激光系统发出一级泵浦光和探测光。
[0054]
第一激光系统为852nm激光系统；第一激光系统发出一级泵浦光和探测光。
[0055]
在本发明的一种具体实现方式中，上述步骤110可以包括：
[0056]
子步骤a1：通过所述852nm激光系统产生作用于原子跃迁线的一级泵浦光和探测光。
[0057]
通过852nm激光的锁定系统以及852nm激光波长对应于133cs原子d2线6s
1/2-6p
3/2
(f
′
＝3,4,5)跃迁。
[0058]
步骤120：第二激光系统发出高功率的泵浦光。
[0059]
所述第二激光系统包括1020nm激光系统和放大系统，所述第二激光系统发出高功率的泵浦光。
[0060]
在本发明的一种具体实现方式中，上述步骤120可以包括：
[0061]
子步骤b1：通过所述1020nm激光系统和放大系统，产生高功率的泵浦光。
[0062]
步骤130：基于所述高功率的泵浦光产生耦合光。
[0063]
在本发明的一种具体实现方式中，上述步骤130可以包括：
[0064]
子步骤c1：通过倍频系统，基于所述泵浦光产生作用于激发态到里德堡态的510nm耦合光。
[0065]
步骤140：基于所述一级泵浦光、探测光以及所述耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备。
[0066]
在激光器中，外部能量通常会以光或电流的形式输入到产生激光的媒质之中，把处于基态的电子，激励到较高的能级高能态。
[0067]
里德堡态是原子或分子中的电子被激发到主量数n较高的量子态，由于其较大的电偶极矩和高的极化率，对外场非常敏感，容易通过电场、磁场、微波辐射等外场调谐，实现
粒子的量子态相干操控。里德堡态原子寿命长，自发跃迁几率小，态的寿命与成正比，里德堡原子能级间隔小(n
*-3
)，处于射频波段，可以由射频场耦合里德堡原子，实现射频场对里德堡原子相互作用的调控，同时提供了一种测量微波场场强的新技术。
[0068]
1020nm激光器频率范围1018nm-1022nm，外腔连续扫描范围较大(＞2ghz)，种子激光器输出～10mw的1020nm激光，经光隔离器输入1020nm光纤放大器，可以获得了功率为5w的可连续调谐的1020nm窄线宽激光。通过设计两镜驻波腔对1020nm激光进行倍频以获得百毫瓦级的510nm激光，作用于6p
3/2
(f
′
＝5)-ns
1/2
，实现里德堡跃迁。
[0069]
步骤150：将太赫兹源作用于所述原子气室。
[0070]
太赫兹源的频率为210-220ghz，中心频率215ghz，强度10mw，通过喇叭天线对准铯原子气室。
[0071]
铯原子气室是经过特殊设计成长方体形状，减少传统吹制方式引起铯泡玻璃的变形，影响光学效应。并且长方体平面结构利于加电极，实现thz多波频率的精密测量。
[0072]
步骤160：通过探测所述里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。
[0073]
thz波有足够的时间将其电离；其次，里德堡原子谱线的自然宽度窄，谱线的共振宽度主要取决于doppler宽度或者激发光源的宽度，电离几率对应的峰值波长较窄，可以实现对特定频率的thz探测。利用多光子激发可以实现中性原子里德堡态的制备，其量子态敏感于电磁场，基于电磁诱导透明(或autler-townes效应)的光谱技术可以检测里德堡态原子与环境电磁场耦合导致的光谱分裂，实现对微波场的精密测量。因此通过本发明的研究，把碱金属原子制备到里德堡态，实现对亚thz波和thz波射频场的电场测量。利用里德堡eit测量方法不需要激光作用下的冷原子真空系统，室温即可操作，测量范围广，实验装置小巧便携等优点，更加实用化。
[0074]
本发明实施例提供的方案，通过第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；第二激光系统发出高功率的泵浦光；基于高功率的泵浦光产生耦合光；基于一级泵浦光、探测光以及耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；将太赫兹源作用于原子气室；通过探测里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。本发明能够把碱金属原子制备到里德堡态，实现对亚thz波和thz波射频场的电场测量。利用里德堡eit测量方法不需要激光作用下的冷原子真空系统，室温即可操作，测量范围广，实验装置小巧便携等优点，更加实用化，并且实现thz频段的多波频率的精密测量。
[0075]
参照图2，示出了本发明实施例提供的一种太赫兹电场测量系统。
[0076]
如图2所示，太赫兹电场测量系统包括：
[0077]
第一激光系统201、第二激光系统202、放大系统203、倍频系统204、铯原气室205、激光探测系统206以及太赫兹源207；所述第一激光系统201用于发出一级泵浦光和探测光；所述第二激光系统202和所述放大系统203(图2中未示出)产生高功率的泵浦光；所述倍频系统204，基于所述高功率的泵浦光，产生作用于激发态到里德堡态的耦合光；将所述一级泵浦光、探测光以及所述耦合光，反向进入铯原子气室205进行里德堡原子的制备；将太赫兹源207作用于所述铯原子气室205；通过所述激光探测系统206探测所述里德堡原子的原子光谱对太赫兹源207的电场进行测量。
[0078]
在激光探测系统206和倍频系统204之间设置有一片510nm高反，852nm高透的镜片。
[0079]
通过852nm激光的锁定系统以及852nm激光波长对应于133cs原子d2线6s
1/2-6p
3/2
(f
′
＝3,4,5)跃迁。
[0080]
1020nm激光器频率范围1018nm-1022nm，外腔连续扫描范围较大(＞2ghz)，种子激光器输出～10mw的1020nm激光，经光隔离器输入1020nm光纤放大器，可以获得了功率为5w的可连续调谐的1020nm窄线宽激光。通过设计两镜驻波腔对1020nm激光进行倍频以获得百毫瓦级的510nm激光，作用于6p
3/2
(f
′
＝5)-ns
1/2
，实现里德堡跃迁。
[0081]
thz源的频率为210-220ghz，中心频率215ghz，强度10mw，通过喇叭天线对准铯原子气室。铯原子气室是经过特殊设计成长方体形状，减少传统吹制方式引起铯泡玻璃的变形，影响光学效应。并且长方体平面结构利于加电极，实现thz多波频率的精密测量。
[0082]
所述第二激光系统202为1020nm的激光系统。
[0083]
通过所述1020nm的激光系统和放大系统203，产生高功率的泵浦光；通过倍频系统204，产生作用于激发态到里德堡态的510nm耦合光。
[0084]
所述第一激光系统201为852nm激光系统；所述852nm激光系统包含852nm激光器、eom电光调制器以及852nm的饱和吸收装置，用于锁定852nm激光器到对应的原子跃迁线上。
[0085]
所述倍频系统204，是由驻波场中加入ppktp线性极化晶体。
[0086]
所述铯原子气室205是由石英玻璃制成的长方体装的空心结构；所述铯原子气室205的上下表面设置有电极；所述铯原子气室205的内部具有铯原子气体以及缓冲气体。
[0087]
所述激光探测系统206为852nm雪崩光电探测器。
[0088]
所述太赫兹源207包括太赫兹发生器和太赫兹喇叭天线。
[0089]
太赫兹源的频率为210-220ghz，中心频率215ghz，强度10mw，通过喇叭天线对准铯原子气室。
[0090]
如图3所示，为原子能级跃迁图，利用852纳米光场作探测光频率与|1>到|2>的能级共振，把基态原子制备到激发态(从|1>到|2>)；1020纳米的激光经倍频腔之后产生510纳米的光作为耦合光，510纳米强光的加入导致了|2>到|3>的跃迁共振，把激发态原子制备到里德堡态(从|2>到|3>)，从|1>到两个缀饰态的激发幅度会是相反的，导致了这两个激发路线上的破坏量子干涉。因此，一个透明的窗口为探测光打开，即探测光透射增强，这种现象叫做电磁诱导透明(eit-electromagnetically induced transparency)。thz波把里德堡态的原子激发到另外的里德堡态。如果适当选择|3>和|4>的原子态，微波场可以耦合|3>和|4>。第三个缀饰态被引进到eit中，它导致了探测光吸收的破坏干涉。这样将eit共振分裂为两个，对于共振的驱动场，新的最大透射值由微波场的拉比频率ω
mw
决定。这就是eit信号的at分裂效应，这与馈入的场相关所以能够测量电场强度。
[0091]
在制备510nm倍频光时，选择低功耗的两镜驻波腔，有利于充分利用泵浦光源的能量。两镜驻波腔示意图如图4所示，为1020nm激光产生510nm激光倍频系统图，由平面镜(m1)和平凹面镜(m2)组成，其中，平面镜m1为输入耦合镜，要求在基频光波段有一定的透射率，以保证倍频腔的阻抗匹配，在实验中m1在1020nm波段透射率为6％。平面镜m2后表面粘有中空的压电陶瓷，以用于反馈系统的锁定。m2由于需要输出510nm倍频激光，1020nm激光高反镜(对1020nm激光的反射率为99.99％)，对于510nm激光高透(对509nm激光透射率为99.9％)。ppln晶体在在室温下容易发生光折变损，因此我们在实验中基于ppktp晶体搭建倍频腔用于1020nm激光倍频实现510nm激光。
[0092]
如图5，所示为带电极原子气室示意图，852nm探测光经透镜聚焦后，与经透镜聚焦的510nm的耦合光沿相反方向传播作用于铯原子样品，带电极的铯原子气室内部填充惰性气体，通过电极板(+)、电极板(-)施加电压，不加thz波时，可以探测到三能级结构的eit透射峰，加入thz波时，里德堡原子和thz波相互作用，破坏了电磁感应透明条件，样品原子强烈的吸收探测光，形成eit透射峰。
[0093]
本发明实施例提供的方案，通过第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；第二激光系统发出高功率的泵浦光；基于高功率的泵浦光产生耦合光；基于一级泵浦光、探测光以及耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；将太赫兹源作用于原子气室；通过探测里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。本发明能够把碱金属原子制备到里德堡态，实现对亚thz波和thz波射频场的电场测量。利用里德堡eit测量方法不需要激光作用下的冷原子真空系统，室温即可操作，测量范围广，实验装置小巧便携等优点，更加实用化，并且实现thz频段的多波频率的精密测量。
[0094]
参照图6，示出了本发明实施例提供的太赫兹电场测量装置的结构框图。
[0095]
如图6所示，太赫兹电场测量装置包括：第一发出模块301，用于第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；第二发出模块302，用于第二激光系统发出高功率的泵浦光；生成模块303，用于基于所述高功率的泵浦光产生耦合光；制备模块304，用于基于所述一级泵浦光、探测光以及所述耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；作用模块305，用于将太赫兹源作用于所述原子气室；测量模块306，用于通过探测所述里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。
[0096]
可选地，所述第一激光系统为852nm激光系统；所述第一发出模块具体用于：通过所述852nm激光系统产生作用于原子跃迁线的一级泵浦光和探测光。
[0097]
可选地，所述第二激光系统包括1020nm激光系统和放大系统，所述第二发出模块具体用于：
[0098]
通过所述1020nm激光系统和放大系统，产生高功率的泵浦光；
[0099]
所述生成模块具体用于：
[0100]
通过倍频系统，基于所述泵浦光产生作用于激发态到里德堡态的510nm耦合光。
[0101]
本发明实施例提供的方案，通过第一激光系统发出一级泵浦光和探测光；第二激光系统发出高功率的泵浦光；基于高功率的泵浦光产生耦合光；基于一级泵浦光、探测光以及耦合光，反向进入原子气室进行里德堡原子的制备；将太赫兹源作用于原子气室；通过探测里德堡原子的原子光谱对太赫兹源的电场进行测量。本发明能够把碱金属原子制备到里德堡态，实现对亚thz波和thz波射频场的电场测量。利用里德堡eit测量方法不需要激光作用下的冷原子真空系统，室温即可操作，测量范围广，实验装置小巧便携等优点，更加实用化，并且实现thz频段的多波频率的精密测量。
[0102]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。