一种基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机

本发明提出了一种基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，涉及微波电场测量。

背景技术：

1、在量子精密测量领域，基于里德堡原子电磁诱导透明（electromagneticallyinduced transparency，eit）的微波电场测量技术发展迅速。eit指的是在加入与激发态到里德堡态跃迁共振的耦合光后，与基态到激发态跃迁共振的探测光由原本被原子吸收的状态变成透过的状态的现象，是一种量子干涉效应，本质上是由于暗态本征态的存在所形成。为了尽可能减弱多普勒效应带来的影响，一般需要两路光对向传播，通过将两路光中其中一路锁定到对应跃迁的共振频率上，扫描另一路光频率，可以看到eit透过峰。当对原子施加与第一里德堡态和第二里德堡态跃迁共振的微波电场时，在微波缀饰下，形成两个暗态本征态，原本的eit透过峰会分裂为两个对称的峰，这种现象称为at分裂（autler-townessplitting），两个峰的分裂间距与微波电场的拉比频率相关，如果微波电场存在失谐，分裂间距还与微波电场相对于微波跃迁的失谐相关。 ，d是考虑热原子系统多普勒失匹引入的修正系数，对于扫描耦合光，取值为1；对于扫描探测光，取值为。根据拉比频率定义可以推算出电场强度，是里德堡跃迁的矩阵元。

2、近年来，多个研究团队提出了利用里德堡原子实现高灵敏度微波电场测量的方案：科罗拉多大学的matthew t.simons等人提出利用里德堡原子气室作为原子混频器，将20ghz的射频电场变频到khz量级的中频信号来测量射频电场相位；山西大学的景明勇等人利用里德堡原子传感器实现了超外差探测，显著提高了电场强度测量的灵敏度；马里兰大学的cox等人实现了对直流到20ghz信号的连续探测，具有较高的内禀灵敏度和瞬时带宽。然而，上述技术并未同时对多个波段的微波信号进行超外差探测。而现代多波段雷达系统需要对多个波段的雷达信号进行同步接收和探测，例如s波段雷达用于追踪，x波段雷达用于火控。因此，需要一种能够同时覆盖多个波段的接收机。

技术实现思路

1、本发明提高了一种基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，包括：探测光激光器，耦合光激光器，碱金属原子气室，多个波段的微波信号源，多种波段的微波电场接收喇叭，多种波段的本振微波电场发射喇叭，多种波段的混频后微波电场发射喇叭和多种波段的合路器；

2、所述探测光激光器提供的探测光和所述耦合光激光器提供的耦合光对向进入所述碱金属原子气室；

3、多个波段的微波信号源均产生两路信号，一路微波信号通过各波段的的本振微波电场发射喇叭向空间中发射，经过各波段的的微波电场接收喇叭接收对应的回波信号，与本振微波通过各自波段的合路器混合，通过各波段的混频后微波电场发射喇叭同时照射到碱金属原子气室上，多种波段的微波场依次耦合连续多对相邻里德堡态，同时对多种波段微波进行超外差接收；

4、根据光电探测器得到的信号得到多个波段的微波信号各自的差频频率。

5、进一步地，利用饱和吸收锁频法产生误差信号将探测光锁定在碱金属原子跃迁线上，多个通道的微波信号源分别提供与碱金属原子气室中里德堡态之间微波跃迁共振且功率可调的微波信号，eit锁频模块根据光电探测器得到的eit透过峰产生误差信号，将耦合光锁定在跃迁线上。

6、进一步地，所述探测光经过两极半波片、偏振分束器后分为三路，第一路用来搭建饱和吸收锁频光路产生误差信号，反馈控制将探测光频率锁定在跃迁上；第二路用来搭建eit锁频光路，第三路用来搭建eit-at实验光路。

7、进一步地，所述耦合光经过两极半波片、偏振分束器后分为两路，第一路用来搭建eit锁频光路产生误差信号，反馈控制将耦合光频率锁定在跃迁上，第二路用来搭建eit-at实验光路。

8、进一步地，所述eit锁频光路中，探测光被分为两路偏振相互垂直的光，其中一路与耦合光反向重合经过碱金属原子气室，另一路与之平行经过碱金属原子气室，两束探测光经过二向色镜和反射镜后分别照射到平衡光电探测器的两个输入端口，进行差分放大测量。

9、进一步地，碱金属原子为铷87原子，eit能级为，输入的本振微波场频率分别与跃迁、或共振。

10、进一步地，所述探测光激光器为外腔半导体二极管激光器，所述耦合光激光器为半导体激光二极管放大倍频激光器。

11、进一步地，所述探测光与耦合光的偏振相互平行，均为v偏振，调整微波偏振与探测光与耦合光的偏振平行。

12、进一步地，调节探测光场和耦合光场的入射光强，使其满足如下条件：耦合光场功率>>探测光场功率。

13、相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：

14、本发明提供一种基于里德堡原子的同时多波段超外差微波探测方法。里德堡原子能级丰富，相邻里德堡态之间跃迁的能量在微波至太赫兹波段，因此通过利用多个波段的微波信号分别耦合至不同的里德堡态，可以实现对多个波段微波信号的超外差及高灵敏度探测。

15、本发明利用里德堡原子的能级丰富特性，以及相邻里德堡态之间跃迁的能量在微波至太赫兹波段，通过利用多个波段的微波信号分别耦合至不同的里德堡态，可以实现对多个波段微波信号的同时超外差探测，适用于多波段雷达系统，满足现代雷达系统对多波段信号同步接收的需求，可应用于微波测量、雷达信号处理、电子对抗等多个领域。

16、平衡光电探测器设计消除了共模噪声，提高了信号检测的信噪比。

技术特征：

1.一种基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，包括：探测光激光器，耦合光激光器，碱金属原子气室，多个波段的微波信号源，多种波段的微波电场接收喇叭，多种波段的本振微波电场发射喇叭，多种波段的混频后微波电场发射喇叭和多种波段的合路器；

2.根据权利要求1中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，利用饱和吸收锁频法产生误差信号将探测光锁定在碱金属原子跃迁线上，多个通道的微波信号源分别提供与碱金属原子气室中里德堡态之间微波跃迁共振且功率可调的微波信号，eit锁频模块根据光电探测器得到的eit透过峰产生误差信号，将耦合光锁定在跃迁线上。

3.根据权利要求1中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，所述探测光经过两极半波片、偏振分束器后分为三路，第一路用来搭建饱和吸收锁频光路产生误差信号，反馈控制将探测光频率锁定在跃迁上；第二路用来搭建eit锁频光路，第三路用来搭建eit-at实验光路。

4.根据权利要求3中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，所述耦合光经过两极半波片、偏振分束器后分为两路，第一路用来搭建eit锁频光路产生误差信号，反馈控制将耦合光频率锁定在跃迁上，第二路用来搭建eit-at实验光路。

5.根据权利要求4中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，所述eit锁频光路中，探测光被分为两路偏振相互垂直的光，其中一路与耦合光反向重合经过碱金属原子气室，另一路与之平行经过碱金属原子气室，两束探测光经过二向色镜和反射镜后分别照射到平衡光电探测器的两个输入端口，进行差分放大测量。

6.根据权利要求1中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，碱金属原子为铷87原子，eit能级为，输入的本振微波场频率分别与跃迁、或共振。

7.根据权利要求1中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，所述探测光激光器为外腔半导体二极管激光器，所述耦合光激光器为半导体激光二极管放大倍频激光器。

8.根据权利要求1中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，所述探测光与耦合光的偏振相互平行，均为v偏振，调整微波偏振与探测光与耦合光的偏振平行。

9.根据权利要求1中所述的基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，其特征在于，调节探测光场和耦合光场的入射光强，使其满足如下条件：耦合光场功率>>探测光场功率。

技术总结
本发明提出了一种基于里德堡原子的同时多波段超外差接收机，涉及微波电场测量技术领域，探测光激光器提供的探测光和耦合光激光器提供的耦合光对向进入所述碱金属原子气室；多个波段的微波信号源均产生两路信号，一路微波信号通过各波段的的本振微波电场发射喇叭向空间中发射，经过各波段的的微波电场接收喇叭接收对应的回波信号，通过各波段的混频后微波电场发射喇叭同时照射到碱金属原子气室上，多种波段的微波场依次耦合连续多对相邻里德堡态，同时对多种波段微波进行超外差接收；可以实现对多个波段微波信号的超外差及高灵敏度探测。

技术研发人员：张岩松,武帅,冯辉,潘玉浩
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：
技术公布日：2025/1/6