[发明专利]一种连续频率的原子微波混频装置及方法

说明书

本发明公开了一种连续频率的原子微波混频装置及方法，该装置包括原子气室、激光器、共面波导、微波源、微波耦合器和接收天线，所述方法包括如下步骤：激发里德堡原子，并将激光调至合适的失谐量，将信号场与本振场传输到波导中。在一个五能级里德堡电磁诱导透明(EIT)系统中，利用里德堡原子作为射频信号的混频器，两束大失谐的微波作为本振场耦合里德堡能级，产生EIT峰分裂，另一束有失谐量的微波也作用于里德堡原子，通过调节其中一个失谐量的大小来实现连续频率的测量，再通过定标，推导出信号场的相关信息。本发明利用非共振的射频与原子混频技术实现对微波的连续测量，在提高微波场测量精度的同时，实现高宽带的连续频率测量。

技术领域

本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种连续频率的原子微波混频装置及方法。

背景技术

近年来，对于可溯源至基本物理量的量子精密测量领域有了快速发展。2019年1月份美国科罗拉多大学的Matthew T.Simons等人利用里德堡原子作为混频器将20GHz的射频电场变频到KHz量级的中频来测量射电场相位的方案，而中频的相位直接对应于射频电场的相位。2019年8月份美国国家标准与技术研究院(NIST)在原子蒸汽式中嵌入平行板波导，实现了对射频场幅度、相位以及调制信号的检测。2020年6月份山西大学的Jing等人结合经典的超外差方法，通过微波缀饰下的里德堡探头实现微波的相位与频率的测量，将电场灵敏度提高了约38倍。

目前，实验测量和理论分析表明，原子微波混频方法只能测量点频率，并且微波耦合里德堡态的失谐量Δ很小，不利于现实中应用。因此，实有必要提出一种技术手段，利用一个五能级的里德堡EIT系统，通过对单光子大失谐的操控来实现对载波的连续频率测量，并通过带有背敷共面波导的电路装置小型化测量装置，以进一步提高微波场测量的效率与精度。

发明内容

有鉴于此，为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种连续频率的原子微波混频装置及方法，利用一个五能级里德堡EIT系统，通过里德堡原子作为射频信号的混频器，两束非共振的微波作为本振场耦合里德堡能级，产生AT分裂，提高微波场测量精度，同时利用碱金属原子气室-背敷共面波导-接收天线这一体化装置实现对射频电场的连续频率测量。

本发明通过以下技术手段实现上述目的：

一方面，本发明提供一种连续频率的原子微波混频装置，包括碱金属原子气室、由共面波导组成的微波电路、接收天线、增益放大器、第一直流偏置、第二直流偏置、第一信号源、第二信号源、第一接头、第二接头、第三接头、碱金属原子、探测光与耦合光；

所述共面波导水平放置，置于碱金属原子气室底部；

所述第一接头的一端连接共面波导的上表面，另一端分别连接第一直流偏置与增益放大器；

所述第二接头的一端连接共面波导的背面，另一端连接第二直流偏置；

所述第三接头一端连接共面波导的上表面，另一端连接输出混频场的导线；

第一信号源产生和发出第一本振场；第二信号源产生和发出第二本振场；

接收天线将接收到的信号场由增益放大器放大后与两束本振场通过第一接头传输到共面波导中；

第一直流偏置、第二直流偏置用于消除碱金属原子气室内的噪声环境，其中第一直流偏置作用于共面波导上表面，第二直流偏置作用于共面波导的背面，通过两个直流偏置创造碱金属原子气室内零环境的直流场；

探测光与耦合光打入碱金属原子气室，激光光束经过共面波导上表面，最后混频场由连接第三接头的导线输出。

进一步地，所述共面波导为背敷金属共面波导，包括介质基片和三条导带；介质基片的上表面为接地带和一条金属导带，背面为薄的一层接地带；所述上表面的金属导带为中心带，中心带用于发射射频信号，共面波导传播的是TEM波，没有截止频率；