[发明专利]一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法

说明书

本发明公开一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法，该方法首先通过高压变压器驱动变形镜压电陶瓷使得变形镜发生形变，大幅拓宽耦合光激光器的可调频范围，根据里德堡原子物理属性设定变形镜形变量，使其控制的耦合光激光器频率与里德堡激发态对应；而后，通过从低频到高频扫描耦合光，观察并记录里德堡原子的电磁诱导透明现象，实现宽频段范围内电磁波的探测；最后，根据里德堡原子的电磁诱导透明现象量化数据，反算电磁波物理参数。本发明通过使用变形镜作为腔镜拓宽耦合光的扫描频率范围，从而增大可探测电磁波频率的宽度，避免使用超外差式等电学手段引入电子热噪声，为电磁波宽频谱记录和分析提供一种高灵敏度探测方式。

技术领域

本发明涉及电磁波探测技术领域，尤其涉及一种基于变形镜的里德堡原子电磁波探测系统及方法。

背景技术

无线电信号探测是无线电侦测的关键技术环节，是进行信号识别与分析的前提，在无线电管理、航海航空救援、抢险救灾等领域发挥着重要作用。但无线信号探测面临诸多困难，首先是通信可用频率范围跨度极大，如常用于通信的无线电频率为30kHz～60GHz，信号探测需要监控所有通信频段，而受传统电磁波接收机理的限制，不同频段的电磁波接收处理所需软件一致但硬件差别较大，单套设备所处理带宽相比全部通信电磁频谱范围非常有限。现有解决方案是针对不同频段、不同功率特性的信号，制备不同的探测系统，但这明显不利于部署使用，且成本很高。其次，当下无线环境日趋复杂，传统系统在灵敏度等性能上已经达到技术瓶颈，长期难以有效提升，因此微弱目标的探测也面临着极大挑战。

无线电探测一直以来普遍采用各种类型的天线连接相应的接收机和解调设备的组成形式，面向特定的应用需求，其主要的改进在于如何提高接收天线的带宽、灵敏度、增益等性能参数。研究人员利用偶极天线相继发明发展了球形偶极子、方盘偶极子、蝴蝶结偶极子、圆片偶极子以及接地单极子等一系列天线。近些年研究人员又开发了各种基于人工磁导体、可调控超表面、人工表面等离子体激元、空腔波导结构等超材料、超结构的新型天线，可对电磁波进行亚波长测量，在一定程度上提高了测量精度和空间分辨率。但是，目前超材料、超结构天线一般只用于无线电信号的接收，后端配套的处理电路仍采用的传统手段，因此其感知频谱带宽、灵敏度仍有较大限制。

目前，通信信号可能使用的频段几乎覆盖全部通信电磁频谱，且这些通信手段的组合开通使用是完全动态可变的，通信频率可能随时出现在数十吉赫兹的大跨度范围内。因此，完整地获取目标平台的电磁频谱态势是无线电管理、航海航空救援、抢险救灾的重要要求。与无线通信一样，使用经典的采样、变换等电处理方法制造覆盖全通信频段的频谱感知系统代价十分巨大，系统结构会随着信道化划分的增多而急剧膨胀。

近些年，随着量子理论与技术的快速发展，研究人员考虑利用激发态原子与外部电磁场相互作用特性，将原子传感的方法应用到无线电信号探测领域。其中，里德堡原子因其优良的电磁感应传感属性而备受关注。里德堡原子是一种处于激发态的类氢原子，轨道半径大、辐射寿命长、极化率大、易受外场的操控、且具有较长的相干时间，具备宽频率范围、高灵敏度探测电磁信号的潜力。目前，研究人员一般通过激光与里德堡原子的一种非线性量子相干效应实现电磁场的全光学测量。里德堡原子典型的量子相干效应为电磁诱导透明效应(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)现象，最早由斯坦福大学Harris等人于1990年首先做出理论性预言，并于1991年首次观察到了锶原子的Λ型EIT现象。之后美国密歇根大学G.Raithel课题组利用微波电场耦合里德堡态能级，使里德堡三能级EIT光谱发生了Aulter-Towns(AT)分裂，并研究了EIT-AT分裂间隔与微波电场强度之间的数学关系，这为之后基于里德堡原子的电磁波场强测量的研究工作奠定了理论与实验基础。