利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置

专利名称：利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410309795.8

专利申请（专利权）人：合肥达芬奇量子科技有限公司
权利人地址：安徽省合肥市高新区望江西920号中安创谷科技园二期J4栋10楼1018室

专利发明（设计）人：刘邦,马宇,丁冬生

专利摘要：本发明提供一种利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置，铯原子蒸气室作为电场传感；利用三光子激发方案将基态原子激发到里德堡态，其中三种激光的波长分别为：探测光852nm、缀饰光1470nm、耦合光780nm；探测光分为两束经过铯原子蒸气室，缀饰光和耦合光与其中一束探测光反向传播，最后两束探测光被平衡光电探头接收，进行差分放大测量；利用无氧铜材质的金属微波谐振腔，将铯原子蒸气室放入其中，通过外接的SMA端口实现微波场的输入；谐振腔与加载频率的微波共振。本发明利用微波谐振腔的谐振增强原理，实现里德堡原子与待测微波电场的耦合，从而提高测量的灵敏度。

主权利要求：
1.利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置，其特征在于，包括：铯原子蒸气室作为电场传感；
利用三光子激发方案6S1/2→6P3/2→7S1/2→55P3/2，将基态原子激发到里德堡态，其中三种激光的波长分别为：探测光852nm、缀饰光1470nm、耦合光780nm；
探测光分为两束经过铯原子蒸气室，缀饰光和耦合光与其中一束探测光反向传播，最后两束探测光被平衡光电探头接收，进行差分放大测量；
输入的微波频率选择与跃迁55P3/2→54D5/2共振的频率4.485GHz；
利用无氧铜材质的金属微波谐振腔，将铯原子蒸气室放入其中，通过外接的SMA端口实现微波场的输入；谐振腔与加载频率的微波共振。 说明书 : 利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置技术领域[0001] 本发明提供一种利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置，属于里德堡原子探测技术领域。背景技术[0002] 现有的里德堡原子超外差测电场技术(Jing,M.,Hu,Y.,Ma,J.etal.“Atomicsuperheterodynereceiverbasedonmicrowave‑dressedRydbergspectroscopy.”Nat.Phys.16,911–915(2020).https://doi.org/10.1038/s41567‑020‑0918‑5)，通过两种波长的激光将原子激发至里德堡态，仅使用喇叭完成与原子能级共振频率的微波与原子的耦合。通过同时输入与信号微波有一定差频，强度较强的LO微波场与信号场，完成里德堡传感系统的超外差。通过对探测光的EIT光谱分析来完成信号微波的接收与解调。改技术加载微波到原子上时插损太大，无法实现外界微波与原子的较强耦合，从而导致无法达到更低的灵敏度。[0003] 里德堡原子的极化率很大，对外界电场非常敏感，在电场测量方面有着巨大潜力。目前在理论上，里德堡原子微波传感系统由量子投影噪声不确定度限制的灵敏度极限相比传统天线有极大的提升。但是由于实验条件的限制，现在仍然无法超过传统天线。其中，如何解决里德堡原子与微波电场的有效耦合成为一个核心问题。里德堡原子只存在于蒸汽池中极小的空间范围内，与外界电场难以实现有效耦合，插损会很大，会严重降低里德堡原子电场测量的灵敏度。发明内容[0004] 为了解决上述的技术问题，本发明利用微波谐振腔，实现微波在腔内有效谐振，来增大微波电场与里德堡原子的有效耦合，实现了18dB的功率灵敏度增强，为进一步提高里德堡原子电场传感性能打下基础。[0005] 具体技术方案为：[0006] 利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量装置，包括：[0007] 铯原子蒸气室作为电场传感；[0008] 利用三光子激发方案6S1/2→6P3/2→7S1/2→55P3/2，将基态原子激发到里德堡态，其中三种激光的波长分别为：探测光852nm、缀饰光1470nm、耦合光780nm；[0009] 探测光分为两束经过铯原子蒸气室，缀饰光和耦合光与其中一束探测光反向传播，最后两束探测光被平衡光电探头接收，进行差分放大测量；[0010] 输入的微波频率选择与跃迁55P3/2→54D5/2共振的频率4.485GHz；[0011] 利用无氧铜材质的金属微波谐振腔，将铯原子蒸气室放入其中，通过外接的SMA端口实现微波场的输入；谐振腔与加载频率的微波共振。[0012] 本发明利用微波谐振腔的谐振增强原理，实现里德堡原子与待测微波电场的耦合，从而提高测量的灵敏度。附图说明[0013] 图1a是本发明的能级结构示意图；[0014] 图1b是本发明的装置结构示意图；[0015] 图1c是本发明的微波和原子的耦合；[0016] 图2a是本发明的腔内场强分布；[0017] 图2b是本发明的谐振腔的S11系数；[0018] 图3a是本发明(深色)与传统系统(浅色)对微波信号的功率线性接收范围；[0019] 图3b是本发明采用超外差方法接收微波的EIT谱图；[0020] 图3c是本发明采用超外差方法接收微波的EIT谱图；[0021] 图4是本发明的用喇叭和微波腔加载了1kHz的调制信号。具体实施方式[0022] 结合附图说明本发明的具体技术方案。[0023] 利用微波谐振腔提升性能的里德堡原子微波测量系统，包括铯原子蒸气室作为电场传感；系统的能级结构和实验装置如图1a和图1b所示，利用三光子激发方案(6S1/2→6P3/2→7S1/2→55P3/2)，将基态原子激发到里德堡态，其中三种激光的波长分别为：探测光(p)852nm、缀饰光(d)1470nm、耦合光(c)780nm。探测光分为两束经过铯原子蒸气室，缀饰光和耦合光与其中一束探测光反向传播，来尽可能减小多普勒展宽效应。最后两束探测光被平衡光电探头接收，进行差分放大测量。[0024] 输入的微波频率选择与跃迁55P3/2→54D5/2共振的频率4.485GHz。利用无氧铜材质的金属微波谐振腔，将铯原子蒸气室放入其中，通过外接的SMA端口实现微波场的输入。谐振腔与加载频率的微波共振，腔内场强分布与谐振腔的S11系数如图2a和图2b所示，其中图2b中的平滑线为理论模拟，含数据点的线为实际测量得出。[0025] 如图1c与图3b、图3c可见，微波腔增大了EIT光谱的AT劈裂，即增强了输入微波在里德堡原子处的电场强度，增强了微波和原子的耦合。[0026] 本发明利用微波腔的谐振增强作用，实现了对微波的增强测量。利用超外差的测量方案，施加了一个强的共振微波和一个与本振有着小失谐的待测信号微波，结果如图3，其中图3a的左侧曲线与图3b为加有微波腔的曲线，图3a的右侧曲线与图3c则为使用喇叭施加微波的曲线。从图3a中可以观察到两种情况的动态范围大致一样，约为75dB，但是加了微波腔之后最小可测量的微波功率为‑110dbm，比未加腔增强了大约18dbm。[0027] 本发明可以接受解调更加微弱的信号，降低误码率。如图4，分别用喇叭和微波腔加载了1kHz的调制信号，可见仅有微波腔的系统完成了调制信号的完整接受。图4中上半为调制信号，下半为微波腔(深色)与喇叭(浅色)系统的输出信号。[0028] 本发明的采用微波谐振腔与里德堡原子气室的耦合技术，当利用微波谐振腔的增强效应，可以显著放大腔内电场强度，增加与里德堡原子的耦合强度，从而实现腔增强的里德堡原子电场测量技术。

专利地区：安徽

专利申请日期：2024-03-19

专利公开日期：2024-09-03

专利公告号：CN117969409B