[发明专利]可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法

说明书

本发明涉及激光光谱领域和量子光学领域，具体是一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法。装置中，探测光源发出的探测光经第一双色镜后入射到原子气室，耦合光源发出的耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声后，经第二双色镜后与探测光反向重合入射至原子气室；经原子气室透射后的探测光经第二双色镜后入射到探测器，探测器进行光电转化为输出电信号至频谱分析仪；频谱分析仪用于在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。本发明通过激光系统的相位噪声调制，可以在MHz分析频段获得里德堡光谱，提高了里德堡原子光谱的信噪比，可避免低频噪声的干扰，允许利用压缩光等量子光源实现电磁场的量子增强测量。

技术领域

本发明涉及激光光谱领域和量子光学领域，具体是一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法。

背景技术

基于里德堡原子的原子天线利用激光调控原子偶极矩，其电磁场测量理论极限灵敏度比现有大型雷达高5-6个数量级，测量电磁波频率覆盖MHz-THz，且可以溯源至绝对频率标准，兼具高灵敏、高速度、多频点的特性，非常有潜力取代下一代雷达或者卫星的天线系统。

里德堡原子通过阶梯型能级结构实现EIT或者AT光谱，通过光谱分裂等特性实现微波传感。利用高频激光制备和测量原子量子态，典型的碱金属原子光跃迁频率在10¹⁸Hz尺度，大的能量差能有效抑制环境热辐射导致的原子布居，降低布居数起伏噪声。光源在激发原子过程中，存在强度噪声和相位噪声。光源的强度噪声可以利用关联和平均的光谱技术来抑制。对于阶梯型的里德堡能级结构，例如852+509或者780+480，理论上激光相位噪声可以通过超稳腔锁相抑制，实际中，考虑激光的线宽和锁频带宽等因素，激光相位锁定并不容易实现。超稳腔锁相方案从源头上抑制了激光的相位起伏，实际中激光传输过程中，光学元器件以及环境耦合导致的纳米尺度形变会再次引入相位噪声。这些相位噪声都会带入整个测量环路，通过原子色散转化为强度起伏，影响光谱测量。EIT光谱色散特性可以实现相位噪声向强度噪声的转化，该物理机制可以实现新型里德堡光谱，进一步拓展里德堡光谱在高精度原子传感中的应用。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置和方法。通过调控激光相位噪声，实现相位噪声-振幅信号转化增强，获得信噪比更高的里德堡原子光谱，实现微波测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生装置，包括探测光源、耦合光源、电光相位调制器、第一双色镜、第二双色镜、原子气室、探测器和频谱分析仪；

所述探测光源发出的探测光经第一双色镜后入射到原子气室，所述耦合光源发出的耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声，经所述第二双色镜后与探测光反向重合入射至所述原子气室；经原子气室透射后的探测光经第二双色镜后入射到探测器，所述探测器进行光电转化为输出电信号至频谱分析仪；

所述频谱分析仪用于在相位调制频率处分析里德堡原子相位噪声光谱。

电光相位调制器对耦合光进行相位调制的频率为MHz量级，相位调制的幅度为3~8%。

所述原子气室内为铯原子，所述探测光的波长为852nm，频率锁定于共振跃迁线，所述耦合光频率在共振跃迁线扫描。

所述探测光通过原子跃迁线进行频率锁定。

所述第一双色镜、第二双色镜均对耦合光反射，探测光透射。

进一步地，本发明还提供了一种可测量微波的里德堡原子相位噪声光谱产生方法，包括以下步骤：

S1、使探测光入射至原子气室，耦合光经电光相位调制器进行相位调制增加相位噪声后，与所述探测光反向重合入射至原子气室；所述探测光频率与耦合光频率满足阶梯型电磁感应透明光谱条件；

S2、使探测光锁定，耦合光频率扫描；