[发明专利]一种测量微波相位的装置和方法

说明书

本发明公开了一种测量微波相位的装置和方法，装置包括：里德堡原子微波电场传感器、辐射单元、塞曼调制单元和测量单元。本发明利用交流磁场的塞曼效应，将参考信号的相位映射到原子能级振荡的相位，然后直接在里德堡原子微波电场传感器中实现微波拍频信号与交流磁场塞曼调制信号的比较，直接通过拍频信号的振幅信息得到微波电场的相位。相对于传统的通过将拍频信号的波形与参考波形比较得到相位的方法，本发明方法在不需要得到规则正弦拍频信号的情况下，通过直接读取拍频信号的幅度就可以得到待测微波电场的相位，更加灵敏、直接和简单。

技术领域

本发明涉及微波测量领域，具体涉及一种测量微波相位的装置和方法。

背景技术

里德堡原子由于具有大的电偶极矩，对外场十分敏感，相邻里德堡能级的跃迁频率在微波波段，因此在微波电场强度、相位的测量、微波通讯等方面有非常大的应用前景，人们在2012年报道了基于里德堡原子电磁感应透明(EIT)和Autler-Townes分裂的量子微波电场传感器[Nature Physics 8,819(2012)]，掀起了微波量子测量的研究高潮。2019年，人们首次利用里德堡原子作为混频器展示了微波相位的测量[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]。相位信息通常通过干涉被转化为更容易测量的强度信息。在目前流行的微波量子传感器装置中，这种相干性在响应探测光透射光强的光电探测器(PD)处损失，原因是PD只能探测振幅信息，故相位到强度的转化需在这一步骤之前实现[Appl.Phys.Lett.114,114101(2019)]。具体的实现方案有如下两种：

第一种方案是将待测微波与频率相等的参考微波在空间中发生干涉，微波相位信息故而转化为微波强度信息。如果两者频率相近，则发生拍频现象，微波强度随时间变化的信息再通过里德堡原子微波电场计测量，就得到一个拍频信号，微波相位能转化为拍频信号的相位，通过比较拍频信号与参考信号，就可以得到微波的相位信息。但是，该方法的缺点在于需要获得比较规则的正弦拍频信号，然后再与参考正弦信号比较，才能得到相位信息，存在一定的局限性。

第二种方案是利用原子在里德堡态间拉比振荡的相位与其耦合的待测微波相位之间的关系，原子能级环路之间的干涉可以将微波相位信息转化为能级占据数信息，反映在探测光透射率上，从而获得微波相位信息[IEEE Aerospace and Electronic SystemsMagazine,35,48-56(2020)]。但是，该方法的缺点在于需要找到若干特殊的原子能级，使得它们的能级差与辅助电磁波能大致相等，因此仅适用于特定频率的微波，应用不够广泛。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种测量微波相位的装置和方法，在不需要得到规则正弦拍频信号的情况下，直接读取拍频信号的幅度就可以得到待测微波电场的相位，更加灵敏、直接和简单。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种测量微波相位的装置，所述装置包括：里德堡原子微波电场传感器、辐射单元、塞曼调制单元和测量单元；

所述里德堡原子微波电场传感器，用于将探测光和耦合光在铷原子蒸汽池中相向传播，形成里德堡原子的电磁感应透明，在施加微波电场后所述电磁感应透明发生Autler-Townes分裂，通过所述探测光在所述电磁感应透明的共振位置的透过率变化测量所述微波电场的强度变化；

所述辐射单元，用于将待测微波电场和参考微波电场分别辐射到所述铷原子蒸汽池上实现干涉，得到所述待测微波电场和所述参考微波电场干涉的拍频信号，其中，所述待测微波电场和所述参考微波电场的频率相近；

所述塞曼调制单元，用于提供交流参考磁场信号作用于所述铷原子蒸汽池，所述交流参考磁场信号用于作用于原子周期地改变原子能级，其中，所述交流参考磁场信号的频率与所述拍频信号的频率相同；