基于里德堡原子量子效应的微波电场空间高分辨率测量

摘要

以前测量微波电场的方法是使用带阻抗的负载偶极天线和二极管探测器。这种传统探测器是由二极管横向放置在偶级天线上，当它放置在一个电场中，二极管整流的电磁场和直流电压被记录，直流电压的增大或减小随电磁场的增大或减小变化。但是这种传统的方法有自己的局限性，首先探测器的敏感度取决于它的尺寸大小而且需要被校准;其次金属做的探测器会扰乱电场测量;最后探测器的灵敏度是有限的。由于这些缺点寻求到一种新的方法来测量微波电场，就是基于宽波段的里德堡原子电场测量。用铯蒸汽池中被激发的里德堡原子制作溯源微波电场的传感器。具体的就是用天线将微波电场转换为电磁场，然后光学测量电磁场，以获得微波电场的溯源标准。由于激发态的里德堡原子与射频场的相互作用，而且EIT-AT效应在微波场的作用下引起了里德堡、态的能级分裂，所以通过分析探测到的分裂来分析微波电场。实际上，处于铯蒸汽池里的原子的作用是把微波电场的测量转换为光频的测量。所以我们的实验是测量铯原子的电磁感应透明（EIT）光谱在微波电场作用下的Autler-Townes分裂宽度，从而得到了高分辨率的微波电场强度空间分布。还分别对正方体和圆柱体两种不同几何形状的原子蒸汽池内微波电场强度的一维分布及二维分布进行了测量，在实验的角度上研究了铯蒸汽池的几何形状对微波电场测量影响。微波电场在蒸汽池内的干涉效应被认为是造成电场分布不均匀的主要原因。以上的这些实验对于研究里德堡原子量子效应的微波电场强度具有非常重要的意义。
　　本文的主要内容:
　　一，简要的介绍了里德堡原子的性质以及EIT-AT效应的概念、特点以及研究状况。由于传统的微波电场测量技术存在明显的缺点，从而研究出了新的微波电场测量方法即宽波段的里德堡原子电场测量。
　　二，研究了基于里德堡原子的EIT-AT效应探测微波电场的基本原理，详细介绍了实验装置以及实验过程中遇到的技术。
　　三，选取铯里德堡原子，对毫米波的微波场进行了测量，得到了高分辨率的电场强度空间分布特征。由于蒸汽池内存在F-P效应，从而导致电场分布不均匀，所以对正方体以及圆柱体蒸汽池内的微波电场进行高空间分辨一维分布测量及二维成像。
　　本文的创新之处包括:
　　1.利用铯蒸气池里的原子把微波电场的测量转换为光频的测量，从而通过测量铯原子的电磁感应透明光谱在微波电场作用下Autler-Townes分裂间隔，获得了铯蒸气池中高分辨率的的毫米波微波电场强度空间分布特征。
　　2.对比了不同几何形状的原子蒸气池对微波电场强度的影响。得出了蒸气池内的干涉效应是造成电场分布不均匀的主要原因。

目录

摘要

第一章 引言

1．1 里德堡原子的介绍

1．2 微波电场的测量方法

1．3 里德堡原子的EIT-AT效应研究近况

1．4 本章小结

第二章 实验过程

2．1 基于EIT-AT效应探测微波电场的实验装置

2．2 频率的稳定

2．3 光功率的稳定

2．4 本章小结

第三章 微波探测的基本原理及实验结果

3．1 基于EIT-AT技术探测微波电场的基本原理

3．2 测量微波场的空间分布

3．3 铯蒸气池的形状对微波测量一维分布的影响

3．4 铯蒸汽池的形状对微波测量二维分布的影响

3．5 本章小结

第四章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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