[发明专利]基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法

摘要

本发明是一种基于里德堡原子量子相干效应的微波场强二维分布测量方法。本发明所依赖的基本物理原理是，里德堡原子的典型电磁感应透明(EIT)峰在微波场的作用下发生分裂，微波场电场分量的强度信息可以由分裂峰的分裂间距得知。将单个的原子蒸汽池进行扩展，形成1×50的线性阵列，通过运动控制模块扫描该阵列的位置从而得到微波场强的二维空间分布。本发明的测量原理基于原子的跃迁频率与跃迁强度，因此具有高度的鲁棒性和准确性。

主权项

1.一种基于里德堡量子相干效应的微波场二维分布测量方法，其特征在于，采用原子蒸汽池感应阵列；所述原子蒸汽池感应阵列包括多个大小相同的棱形原子蒸汽池单元，所述每个棱形原子蒸汽池单元在水平面的投影呈等腰直角三角形，多个棱形原子蒸汽池单元按照直角顶角朝向交替反向的规律顺次排列，相邻的棱形原子蒸汽池单元相邻的直角边之间相互紧贴；直角顶角朝向相同的多个棱形原子蒸汽池单元的斜边面位于同一平面上，共同构成原子蒸汽池感应阵列的两个相互平行的侧面；整个原子蒸汽池感应阵列在水平面的投影呈梯形或平行四边形；连接多个棱形原子蒸汽池单元的直角边中点的直线构成棱形原子蒸汽池单元的轴向；每个棱形原子蒸汽池单元内均充有同一种碱金属原子蒸汽；所述测量方法包括如下步骤：（a）、将探测光即作用于碱金属原子基态与第一激发态的弱光频率锁定在这两个能级的共振位置，并且通过分束器分成与棱形原子蒸汽池单元数目相同的多束，每束探测光均对应一个棱形原子蒸汽池单元；将每束探测光均从其对应的棱形原子蒸汽池单元的斜边面垂直入射至该棱形原子蒸汽池单元内，在棱形原子蒸汽池单元内通过两次全反射从相同斜边面出射；（b）、探测光经过每个棱形原子蒸汽池单元后均入射至一个CCD探测单元，通过对CCD探测单元进行位置编码，获得每个棱形原子蒸汽池单元光谱信息与位置的关联信息；（c）、引入耦合光，耦合光耦合于碱金属原子的第一激发态与里德堡nS/nD能级，将耦合光分成两束，分别引至原子蒸汽池感应阵列的两个侧面所在的两侧，其中一束耦合光按照该侧棱形原子蒸汽池单元的排列顺序依次入射：入射至每个棱形原子蒸汽池单元内的耦合光光路均与步骤（a）中入射至该棱形原子蒸汽池单元的探测光反向重合，由第一个棱形原子蒸汽池单元出射的耦合光反射后入射至相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，然后出射的耦合光再经反射后入射至下一个相邻且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池单元内，这样依次完成对该侧棱形原子蒸汽池单元的入射；另一束耦合光在原子蒸汽池感应阵列的另一侧做相同的光路循环；（d）、扫描耦合光的频率，每个棱形原子蒸汽池单元对应的CCD探测单元都会得到无多普勒背景的探测光的EIT透射光谱；（e）、将该原子蒸汽池感应阵列置于微波环境中，当环境中的微波频率与满足电偶极跃迁的两个里德堡能级共振时，每个棱形原子蒸汽池单元的EIT透射谱都会发生特征分裂，利用谱线的分裂大小可以得到不同棱形原子蒸汽池单元测量的微波场强信息，通过步骤（b）绘制每个棱形原子蒸汽池单元中测得的场强大小与该棱形原子蒸汽池单元的位置关系便可以获得微波场在里德堡蒸汽池阵列轴向的一维分布；（f）、将原子蒸汽池感应阵列沿垂直阵列轴向的方向进行扫描，同时在每个扫描位置，保证原子蒸汽池感应阵列都能够测量得到阵列轴向的微波场分布，通过这样的方法可以得到微波场在二维平面的场分布。