利用压缩探测光的里德堡原子电场计微波测量装置和方法与流程

本发明涉及微波电场的量子精密测量，尤其涉及一种利用压缩探测光的里德堡原子电场计微波测量装置和方法。

背景技术：

1、利用里德堡原子蒸气测量微波段的极弱电磁波信号，是打破传统电偶极子微波探测器有限测量精度限制的潜在量子方案，具有超高灵敏度、si可溯源、可测微波量程大等诸多优点。近年来，一个在实验中实现的里德堡原子电场计是由james p.shaffer团队在2012年完成的。据文献报道，该方法中利用87rb原子蒸气作为工作物质，实现了最小可测电场约为8μv/cm和灵敏度为的微波测量精度。此后，基于里德堡原子蒸气的微波电场精密测量领域蓬勃发展，包括微波振幅、频率、传播方向、太赫兹探测等在内的各方面研究成果相继迸发。在2020年，山西大学的张临杰团队利用超外差的探测方法并利用133cs原子蒸气作为工作物质，实现了将微波测量的灵敏度提高3个数量级的突破。

2、然而，基于里德堡原子的微波测量仍是一种间接测量手段，即通过测量探测光的透射功率来间接实现微波的测量。以往的测量过程所使用到的探测光和耦合光乃是经典的激光光源，而探测光的功率噪声，特别是不可消除的量子散粒噪声决定了里德堡电场计的微波测量精度极限。鉴于此，考虑将探测光制备到理想压缩态并用于里德堡原子电场计就是一个能够潜在突破散粒噪声极限的微波电场测量方案。因处于压缩态的探测光的量子散粒噪声将被极大地抑制，探测光功率的测量误差也将被极大地抑制，从而间接地提高里德堡原子电场计的微波测量灵敏度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中缺乏利用压缩探测光的微波测量方法的，提供一种利用压缩探测光的里德堡原子电场计微波测量装置和方法。本发明在选定合适的探测光、耦合光的拉比频率时，随着压缩参数的增大，里德堡原子电场计的微波测量灵敏度将极大地提高。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明实施例第一方面提供了一种利用压缩探测光的里德堡原子电场计微波测量装置，包括探测光激光器、压缩光生成室、反射镜、第一二向色镜、原子蒸气室、耦合光激光器、第二二向色镜和馈源微波喇叭；其中，所述探测光激光器用于产生探测光；所述压缩光生成室用于将入射的探测光进行压缩；所述反射镜和所述第一二向色镜用于反射压缩后的探测光，以将其导入到所述原子蒸气室；所述原子蒸气室内充斥有碱金属原子蒸气，与探测光、耦合光、微波相互作用，构成了里德堡原子电场计的工作物质；所述耦合光激光器用于产生耦合光；所述第二二向色镜用于反射耦合光并将其导入到所述原子蒸气室，且透射探测光；所述馈源微波喇叭用于馈入本振微波和信号微波。

3、进一步地，所述压缩光生成室包括平凸反射镜、泵浦光源、第三二向色镜和双凸钛酸钾晶体，探测光先经过第三二向色镜反射后到达泵浦光源，再经过泵浦光源后到达平凸反射镜，经由平凸反射镜反射后通过双凸钛酸钾晶体，实现探测光的压缩。

4、本发明实施例第二方面提供了一种基于上述的利用压缩探测光的里德堡原子电场计微波测量装置的测量方法，包括以下步骤：

5、(1)将探测光激光器产生的探测光通过压缩光生成室制备到压缩态上；

6、(2)将制备到压缩态上的压缩探测光与保持经典态的耦合光以相反方向入射并通过原子蒸气室，以将原子蒸气室内的原子激发到第一里德堡态上；

7、(3)开启微波馈源喇叭，将本振微波馈入到原子蒸气室，本振微波与处于第一里德堡态上的原子相互作用而发生能级跃迁，以将原子从第一里德堡态跃迁到第二里德堡态上；

8、(4)调节激光系统的光频率，将其调节到三光子共振状态，再对从原子蒸气室透射的压缩探测光进行测量，测量其透射功率；

9、(5)保持三光子共振状态不变，通过微波馈源喇叭馈入待测量的信号微波，对从原子蒸气室透射的压缩探测光进行测量，测量其透射功率，并计算馈入信号微波前后的探测光的透射功率差；

10、(6)通过探测光测量的频谱仪对探测光的透射功率差做频谱分析，以获取不同频率的振幅大小；根据不同频率的振幅大小确定待测量的信号微波的电场；

11、(7)重复步骤(1)-步骤(6)，求取多次测量的信号微波的电场平均值[es]av，作为最终得到的待测量的信号微波的电场。

12、进一步地，所述步骤(1)包括以下子步骤：

13、(1.1)开启探测光激光器，产生探测光，其出射态为相干态|α>，其中α＝|α|eiφ为相干态参数，该相干态|α>下的光子数n分布满足泊松分布为平均光子数，所述平均光子数根据探测光的出射功率、探测光单光子能量以及单次测量的时间确定；

14、(1.2)探测光入射到压缩光生成室中，通过压缩光生成室的结构实现对相干态|α>的压缩操作，其有效哈密顿量为以确定压缩算符为根据压缩算符以及控制参数κ满足的振幅压缩条件确定压缩参数ξ，依据压缩参数ξ对探测光进行压缩，得到压缩探测光，其压缩态记为|(α,ξ)>。

15、进一步地，所述步骤(2)具体包括：

16、将从压缩光生成室出射的呈现压缩态|(α,ξ)>的压缩探测光入射到反射镜上，经由反射镜完全反射到第一二向色镜上，经由第一二向色镜反射后进入原子蒸气室；同时，打开耦合光激光器以将其产生的呈经典态|α>的耦合光经由第二二向色镜反射后进入原子蒸气室；其中，第一二向色镜将压缩探测光完全反射但对入射到该第一二向色镜上的耦合光透射，第二二向色镜将耦合光完全发射但对入射到该第二二向色镜上的压缩探测光透射，压缩探测光与耦合光入射并通过原子蒸气室的方向相反且平行；

17、压缩探测光入射到原子气室后，探测光将原子蒸气室内的原子从基态|1>激发到第一激发态|2>；耦合光入射到原子气室后，耦合光将原子从第一激发态|2>激发到第一里德堡态|3>上。

18、进一步地，所述原子蒸气室中的真实原子与探测光、耦合光、微波相互作用而发生能级跃迁，所述真实原子近似等效为一个四能级原子，其能级结构包括：原子基态|1>，第一激发态|2>，第一里德堡态|3>，第二里德堡态|4>。

19、进一步地，所述调节激光系统的光频率，将其调节到三光子共振状态，具体包括：

20、调节探测光激光器、耦合光激光器和馈源微波喇叭的光频率，以将探测光、耦合光、本振微波调节到三光子共振状态，即将探测光、耦合光、本振微波的失谐均调节为零。

21、进一步地，所述步骤(6)具体包括：

22、通过探测光测量的频谱仪对探测光的透射功率差ps(t)做傅里叶变换以将时域信号转变成频域信号输出，在频谱仪中读取不同频率的振幅大小依据下列公式根据不同频率的振幅大小计算待测量的信号微波的电场es，其计算公式为：

23、

24、式中，为约化普朗克常数；ωs为待测信号微波的拉比频率；μs为待测信号微波跃迁的跃迁偶极矩；κp为线性系数，其表达式为：

25、

26、式中，κp表示探测光透射功率ptr对本振微波的一阶导数；r为振幅压缩参数；ωmw为微波的拉比频率；sinh2表示双曲正弦函数；表示探测光的初始平均光子数，τ为单次测量的时间，为探测光的初始功率，ωp为探测光的频率；ωl为本振微波的拉比频率；α为信号微波的吸收系数；γr表示四能级共振时的lorenz吸收曲线的半高宽，ωp为探测光的拉比频率，γ2为自发辐射率。

27、进一步地，所述方法还包括：通过增大探测光的振幅压缩参数r增大线性系数κp，以提高里德堡原子电场计在三光子共振状态时的信号微波电场的测量灵敏度。

28、进一步地，所述里德堡原子电场计在三光子共振状态时的信号微波电场的测量灵敏度的表达式为：

29、

30、式中，εsq为利用压缩探测光的里德堡电场计的信号微波电场的测量灵敏度；ksq(ωl,r)为探测光的压缩效应相关的灵敏度提升因子；ωp为探测光的拉比频率，ωc为耦合光的拉比频率；为探测光通过里德堡原子蒸气室的吸收系数；tinot为相邻两次测量的初始化时间。

31、本发明的有益效果是，本发明提出的利用压缩态探测光提高里德堡原子电场计微波测量灵敏度的方法和装置，通过对探测光进行压缩可有效抑制激光的量子散粒噪声，从而能够有效抑制探测光的透射功率噪声，同时增大透射功率对微波改变的敏感度即导数；选择合适的探测光、耦合光的拉比频率将能够有效提高对探测光的透射功率进行测量的信噪比，从而提高待测信号微波的间接测量灵敏度。