[发明专利]基于原子的电磁场感测元件与测量系统

说明书

用于感测或测量电磁场的方法和设备。方法引起占据与电磁场同范围的测试体积的气体的原子激发到里德堡态分布。在一个或多个频率处测量电磁辐射的至少一个探测束沿着遍历测试体积的路径的传输，一个或多个频率与频谱特征重叠，以及基于频谱特征的变化得出电磁场的物理特性。在各种实施例中，电磁场可以被放置为与其他电磁场成干涉关系。可以测量时变电场振幅、频率、相位和噪声谱分布，因此产生AM和FM调制的场以及约1特斯拉的磁场。用于测量电磁场的设备可以单侧地耦合到探测场和检测器或检测器阵列。

本发明部分是在美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军授予的合同第W911NF-17-C-0007号的政府支持下完成的。政府可以拥有本发明一些方面的权利。

本申请要求2017年12月18日提交的美国临时申请第62/607,034号和2018年9月6日提交的美国临时申请第62/727,764号的优先权。前述两个申请均通过引用并入本文。

发明领域

本发明涉及基于原子的场感测元件和测量系统及方法，更具体地涉及采用里德堡原子测量、接收或成像RF场振幅、极化率或相位、调制的RF信号、非相干RF噪声或RF噪声并执行连续频率RF场检测的元件、系统和方法。

发明背景

处于高里德堡态(由高的主量子数表征，通常n20)的具有准自由电子的原子表现出大的极化率和电偶极矩，其主量子数n分别在～n⁷和～n²，这使它们对电场非常敏感。根据本文的约定，不是里德堡态的原子态在本文中可以被称为“低位态”。

已经知道将原子蒸气中的里德堡态的频谱响应应用于电场测量的概念，至少从Mohapatra等的文献“Rydberg States using Electromagnetically InducedTransparency,Phys.Rev.Lett.,vol.98,113003(2007年)”开始，该文献通过引用并入本文。现有技术中涉及基于原子的场感测的早期工作是Anderson等的美国专利第9,970,973号(以下称为“Anderson 973专利”)的主题，该专利及其中引用的参考文献通过引用并入本文。更具体地，Floquet方法先前已经被建立为在蒸气室实验中模拟里德堡原子微波频谱的合适方法，例如在Anderson等的文献“Two-photon microwave transitions and strong-field effects in a room-temperature Rydberg-atom gas,Phys.Rev.A,vol.90,043419(2014年)”中所示，该文献通过引用并入本文。

电磁感应透明(EIT)是一种量子干涉过程，其中三级原子系统中的两个激发路径相消干涉并且产生探测激光束的透射率的增加。在例如图8B中所描绘的里德堡-EIT级联方案中，透明由地面和里德堡态的相干叠加形成。里德堡-EIT已经在冷原子气体和室温蒸气室两者中实现。它已经广泛用作里德堡频谱、量子信息处理以及弱和强微波电场测量的无损光学检测技术。Bason等的文献“Enhanced electric field sensitivity of rf-dressed Rydberg dark states,New J.Phys.,vol.12,065015(2010年)”讨论了使用蒸气室中的电极进行里德堡级的AC Stark位移，该文献通过引用并入本文。

如本文所使用的，术语“传感器”将指任何检测或测量物理量的设备，并且可以不包括将电能或电磁能耦合到传感器和与传感器一起使用的控制器或处理器、或从传感器控制器或处理器耦合的布线或波导。本文所使用的术语“单片传感器”是指一种传感器，其整体包含在单个基板上或者其组件永久连接以形成单个物理设备。连接的示例包括微细加工、熔合、阳极键合和粘合。据发明人所知，从未提出过单片里德堡传感器。