[发明专利]基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法

说明书

本发明属于微波电场传感器技术领域，具体涉及一种基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法，包括探测光、修饰光、耦合光三束光，三束光均入射并激发处于含铯玻璃泡中的原子到里德堡态；含铯玻璃泡外设有喇叭天线、微波频率梳、待测信号场，微波频率梳的微波频率梳信号和待测信号场的待测信号通过微波合路器进入喇叭天线加载到含铯玻璃泡上；还包括差分探测器，用于读取拍频信号；差分探测器与数据处理系统连接，数据处理系统分析拍频信号。本发明可以突破里德堡原子瞬时带宽对于可以实时测量的信号带宽限制，采用两组不同频率间隔的微波频率梳，实现对于微波信号的频率测量，避免了镜像频率的对确定频率的干扰。

技术领域

本发明属于微波电场传感器技术领域，具体涉及一种基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器及探测方法。

背景技术

现有的基于里德堡原子的实验方案中采用的外差探测方案，可以实时监测的信号受到原子电磁感应透明现象的弛豫时间限制，其可以实时探测的最大带宽为10MHz左右，基于微波频率梳的里德原子微波电场传感器允许突破电磁感应透明现象的弛豫时间限制，实现对于带宽10MHz以外范围内的信号的实时探测。而且现有的里德堡外差探测微波探测方法无法分辨镜像频率。

发明内容

本发明基于微波频率梳的里德堡原子射频传感器，通过多音调本振信号和待测信号经过里德堡原子混频，实现信号频率下变频，允许对于超出传统里德堡接收器瞬时带宽之外的信号实现实时探测。本发明通过两个频率梳与信号场拍频，来获取信号的频率，可以避免镜像频率对于频率探测的影响。

具体的技术方案为：

基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器，包括探测光、修饰光、耦合光三束光，三束光均入射并激发处于含铯玻璃泡中的原子到里德堡态；

含铯玻璃泡外设有喇叭天线、微波频率梳、待测信号场，微波频率梳的微波频率梳信号和待测信号场的待测信号通过微波合路器进入喇叭天线加载到含铯玻璃泡上；

还包括差分探测器，用于读取拍频信号；差分探测器与数据处理系统连接，数据处理系统分析拍频信号。

进一步的，还包括第一个二向色镜、第二个二向色镜、第三个二向色镜；所述的修饰光、耦合光通过第二个二向色镜合束，由第三个二向色镜反射进入含铯玻璃泡内；探测光经过双反镜分为两束光路，两束光路均透过第一个二向色镜，其中一束光路在含铯玻璃泡内与修饰光、耦合光反射的光路重合。

优选的，所述的探测光为852nm激光，修饰光为1470nm激光，耦合光为779nm激光。

所述的基于微波频率梳的里德堡原子微波电场传感器的探测方法，包括以下步骤：

修饰光、耦合光通过第二个二向色镜合束，由第三个二向色镜反射进入含铯玻璃泡内；探测光经过双反镜分为两束光路，两束光路均透过第一个二向色镜，其中一束光路在含铯玻璃泡内与修饰光、耦合光反射的光路重合；然后微波频率梳和待测信号场通过微波合路器进入喇叭天线加载到含铯玻璃泡中的里德堡原子实现混频；

所述的微波频率梳，包括一系列具有固定相位和频率间隔一定的单音信号叠加；其第i个梳齿的频率表示为：

f_i＝N·f_r+f₀

其中，N为频率梳梳齿数目，f_r为重复频率，也就是梳齿的频率间隔，f₀为偏置频率,也就是频率梳的起始频率；

拍频信号是通过差分探测器读取耦合光处于零失谐附近的探测光透射信号得到；通过数据处理系统分析该信号，得到拍频信号的幅度、频率、相位信息；

所述的拍频信号的幅度：