一种测量电场强度的原子传感器系统及电场强度测量方法

摘要

本发明涉及一种测量电场强度的原子传感器系统及测量电场强度的方法，主要包括以下步骤：红色探测激光和蓝色耦合激光经激光滤波器进入激光扩束装置并对其波束形状进行扩展；扩展后的红色探测激光进入原子蒸汽腔对原子进行照射激励，扩展后的蓝色耦合激光进入原子蒸汽腔对红色探测激光激励下的原子进行照射；光谱探测器对透过原子蒸汽腔的红色探测激光信号强度进行测量，根据红色探测激光的扫频获取其透射光谱；锁相放大器对光谱探测器输出的透射光谱电信号进行放大，并输出至终端，终端显示红色探测激光的透射光谱图，并通过透射光谱图计算出电场强度。本发明提出增加激光过滤和扩束环节，使得测量电场强度的原子传感器系统灵敏度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及电场强度测量领域，尤其涉及一种测量电场强度的原子传感器系统及测量电场强度的方法。

背景技术

现有测量电场强度的原子传感器系统核心是原子蒸汽腔内红色探测激光和蓝色耦合激光重合部分的原子，该重合部位的原子受到红色探测激光和蓝色耦合激光的激励对电场辐射敏感，能够用于电场强度的测量；而原子蒸汽腔内其他部分的原子蒸汽由于没有受到红色探测激光和蓝色耦合激光的激励，因而对电场辐射不敏感，不参与电场强度测量。

由于探测激光是红光、耦合激光是蓝光，而一般蓝光的光束直径小于红光，因此红光探测激光和蓝光耦合激光重合部分的直径是蓝光耦合激光的直径，红光探测激光与蓝光耦合激光不重合的部分没有参与电磁感应透明，导致红色探测激光的电磁感应透射峰值下降，使得红色探测激光的电磁感应透射峰值与红色探测激光直接穿透原子蒸汽后的透射谱的比值下降，即信噪比下降，导致现有电场原子传感器系统的灵敏度下降。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种测量电场强度的原子传感器系统及测量电场强度的方法，可用于极弱电场的测量。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种测量电场强度的原子传感器系统，包括：探测激光器、耦合激光器、激光滤波器、激光扩束装置、原子蒸汽腔、光谱探测器、锁相放大器和终端；

所述探测激光器，用于输出红色探测激光，所述耦合激光器，用于输出蓝色耦合激光；

所述激光滤波器，用于对所述红色探测激光和蓝色耦合激光进行过滤后传输至所述激光扩束装置；

所述激光扩束装置，用于对所述激光滤波器过滤后的红色探测激光和蓝色耦合激光的波束形状进行扩展后输出至原子蒸汽腔；

所述原子蒸汽腔，用于由经过所述激光扩束装置扩展后的红色探测激光对原子进行照射激励，同时，经过所述激光扩束装置扩展后的蓝色耦合激光对红色探测激光激励下的原子进行照射，形成电磁感应透明现象，使红色探测激光的透射率增加；

所述光谱探测器，用于对透过原子蒸汽腔的红色探测激光信号强度进行测量，并根据红色探测激光的扫频获取红色探测激光的透射光谱；

所述锁相放大器将光谱探测器输出的透射光谱电信号进行放大，并输出至所述终端，所述终端显示红色探测激光的透射光谱图，并根据所述透射光谱图进行计算，得到电场强度。

本发明的有益效果是：通过可调谐、窄带激光滤波器提高了红色探测激光和蓝色耦合激光的频率稳定性，有效压缩了红色探测激光透射峰的频谱宽度，提高了峰值分裂间隔的分辨率，而越小的频率间隔对应幅值越小的电场场强，从而提高了原子传感器系统探测电场强度的灵敏度；通过激光扩束装置，提高了红色探测激光的利用效率，增加了红色探测激光电磁感应透射峰信号的信噪比，从而提高了原子传感器系统探测电场强度的灵敏度。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述探测激光器和耦合激光器为可调谐激光器，所述红色探测激光的波长范围为：750nm～810nm，中心波长为：780nm，频率扫描范围为：-40MHz～+40MHz；所述蓝色耦合激光的波长范围为：478nm～488nm，中心波长为：483nm。

进一步，所述激光滤波器为可调谐、窄带激光滤波器，用于将红色探测激光和蓝色耦合激光的线宽调为kHz量级及以下，所述激光滤波器包括两个反射率在99.99％以上的镜面，两镜面反射面相对布置，两镜面反射面之间的距离通过压电陶瓷快速调节。

进一步，所述激光扩束装置用于将红色探测激光及蓝色耦合激光的波束形状同时扩展为圆柱形或矩形，所述激光扩束装置包括反射镜和透射镜。

采用上述进一步方案的有益效果是：将红色探测激光与蓝色耦合激光从线形扩展到面形，从而使得原子传感器系统具有较高方向性增益，提高了原子传感器系统对某一方向电场强度的探测灵敏度；将红色探测激光与蓝色耦合激光从线形扩展到体形，增加了原子蒸汽腔中的激发态原子数，提高了原子传感器系统探测电场强度的灵敏度。

进一步，所述激光扩束装置包括柱面镜和凸透镜，所述原子蒸汽腔为矩形原子蒸汽腔。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电场强度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：探测激光器输出红色探测激光，耦合激光器输出蓝色耦合激光；

步骤2：红色探测激光和蓝色耦合激光经激光滤波器过滤后分别进入激光扩束装置；

步骤3：激光扩束装置对红色探测激光和蓝色耦合激光的波束形状进行扩展；

步骤4：扩展后的红色探测激光进入原子蒸汽腔对原子进行照射激励，扩展后的蓝色耦合激光进入原子蒸汽腔对红色探测激光激励下的原子进行照射，形成电磁感应透明现象，使红色探测激光的透射率增加；

步骤5：光谱探测器对透过原子蒸汽腔的红色探测激光信号强度进行测量，并根据红色探测激光的扫频而获取红色探测激光的透射光谱；

步骤6：锁相放大器对光谱探测器输出的透射光谱电信号进行放大，并输出至终端，终端显示红色探测激光的透射光谱图，并根据所述透射光谱图计算，得到电场强度。

本发明的有益效果是：通过可调谐、窄带激光滤波器提高了红色探测激光和蓝色耦合激光的频率稳定性，有效压缩了红色探测激光透射峰的频谱宽度，提高了峰值分裂间隔的分辨率，而越小的频率间隔对应幅值越小的电场场强，从而提高了原子传感器系统探测电场强度的灵敏度；通过激光扩束装置，提高了红色探测激光的利用效率，增加了红色探测激光电磁感应透射峰信号的信噪比，从而提高了原子传感器系统探测电场强度的灵敏度。

进一步，所述探测激光器和耦合激光器为可调谐激光器，所述红色探测激光的波长范围为：750nm～810nm，中心波长为：780nm，频率扫描范围为：-40MHz～+40MHz；所述蓝色耦合激光的波长范围为：478nm～488nm，中心波长为：483nm。

进一步，所述激光滤波器为可调谐、窄带激光滤波器，用于将红色探测激光和蓝色耦合激光的线宽调为kHz量级及以下，所述激光滤波器包括两个反射率在99.99％以上的镜面，两镜面反射面相对布置，两镜面反射面之间的距离通过压电陶瓷快速调节。

进一步，所述激光扩束装置用于将红色探测激光及蓝色耦合激光的波束形状同时扩展为圆柱形或矩形，所述激光扩束装置包括反射镜和透射镜。

采用上述进一步方案的有益效果是：将红色探测激光与蓝色耦合激光从线形扩展到面形，从而使得原子传感器系统具有较高方向性增益，提高了原子传感器系统对某一方向电场强度的探测灵敏度；将红色探测激光与蓝色耦合激光从线形扩展到体形，增加了原子蒸汽腔中的激发态原子数，提高了原子传感器系统探测电场强度的灵敏度。

进一步，所述激光扩束装置包括柱面镜和凸透镜，所述原子蒸汽腔为矩形原子蒸汽腔。

附图说明

图1为本发明测量电场强度的原子传感器系统具体连接结构示意图；

图2为本发明电场强度测量方法流程示意图；

图3为本发明测量极弱电场强度的原子传感器系统具体连接结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、探测激光器，2、耦合激光器，3、激光滤波器，4、激光扩束装置，5、原子蒸汽腔，6、光谱探测器，7、锁相放大器，8、终端，9、30kHz方波源，10、光调制器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明具体实施例1所述的测量电场强度的原子传感器系统，包括：探测激光器1、耦合激光器2、激光滤波器3、激光扩束装置4、原子蒸汽腔5、光谱探测器6、锁相放大器7和终端8；

探测激光器1，用于输出红色探测激光，耦合激光器2，用于输出蓝色耦合激光；

激光滤波器3，用于对红色探测激光和蓝色耦合激光进行过滤后传输至激光扩束装置4；

激光扩束装置4，用于对激光滤波器3过滤后的红色探测激光和蓝色耦合激光的波束形状进行扩展后输出至原子蒸汽腔5；

原子蒸汽腔5，用于由经过激光扩束装置4扩展后的红色探测激光对原子进行照射激励，同时，经过激光扩束装置4扩展后的蓝色耦合激光对红色探测激光激励下的原子进行照射，形成电磁感应透明现象，使红色探测激光的透射率增加；

光谱探测器6，用于对透过原子蒸汽腔5的红色探测激光信号强度进行测量，并根据红色探测激光的扫频获取红色探测激光的透射光谱；

锁相放大器7将光谱探测器6输出的透射光谱电信号进行放大，并输出至终端8，终端8显示红色探测激光的透射光谱图，终端8并根据透射光谱图进行计算，得到电场强度。

探测激光器1和耦合激光器2为可调谐激光器，红色探测激光的波长范围为：750nm～810nm，中心波长为：780nm，频率扫描范围为：-40MHz～+40MHz；蓝色耦合激光的波长范围为：478nm～488nm，中心波长为：483nm。

激光滤波器3为可调谐、窄带激光滤波器，用于将红色探测激光和蓝色耦合激光的线宽调为kHz量级及以下，激光滤波器3包括两个反射率在99.99％以上的镜面，两镜面反射面相对布置，两镜面反射面之间的距离通过压电陶瓷调节；可调谐、窄带激光滤波器提高了红色探测激光和蓝色耦合激光的频率稳定性，有效压缩了探测激光透射峰的频谱宽度，提高了峰值分裂间隔的分辨率，而越小的频率间隔对应幅值越小的电场场强，从而提高原子传感器系统的探测灵敏度。

激光扩束装置4用于将红色探测激光及蓝色耦合激光的波束形状同时扩展为圆柱形或矩形，激光扩束装置4包括反射镜和透射镜，激光扩束装置4包括圆柱形扩束装置和矩形扩束装置。

圆柱形扩束装置是双反射面型的扩束装置，其主反射面采用旋转抛物面，副反射面采用旋转双曲面，副反射面的一个焦点与主反射面的焦点重合，主反射面轴心开小孔允许入射窄光束穿过，窄光束入射到副反射面上，经副反射面反射扩散后入射到主反射面上，再经主反射面反射后形成粗圆柱形波束。

矩形扩束装置由柱面镜和凸透镜组成，柱面镜的焦点与凸透镜的焦点重合，入射窄光束经过柱面镜后变成扇面光束，该扇面光束经过凸透镜后变成矩形光束。

激光扩束装置4将蓝色耦合激光的波束直径提高到略大于红色探测激光波束直径，从而提高了参与电磁感应透明的探测激光比例，使电磁感应透射峰值增大，提高原子传感器系统的信噪比和灵敏度。

激光扩束装置4将红色探测激光和蓝色耦合激光的照射范围扩大，可以增加参与电场探测的原子个数，原子个数的增加将降低无蓝色耦合激光时的红色探测激光透射谱信号，同时增加有蓝色耦合激光时的红色探测激光透射峰值信号；当有外界电场辐射时，原子个数的增加将使得峰值分裂的凹槽越深，有利于两峰值之间频率间隔的测量，提高了原子传感器系统的信噪比和灵敏度。

在测量极弱电场强度时，优选的原子蒸汽腔5应为矩形原子蒸汽腔，激光扩束装置4为矩形扩束装置，由柱面镜和凸透镜组成。

如图1所示，本发明具体实施例1所述的测量电场强度的原子传感器系统还包括30kHz方波源9和光调制器10；30kHz方波源9、光调制器10和锁相放大器7形成光学外差探测系统，提高信噪比和原子传感器系统灵敏度。

如图2所示，为本发明具体实施例2所述的电场强度测量方法，包括以下步骤：

步骤1：探测激光器1输出红色探测激光，耦合激光器2输出蓝色耦合激光；

步骤2：红色探测激光和蓝色耦合激光经激光滤波器3过滤后分别进入激光扩束装置4；

步骤3：激光扩束装置4对红色探测激光和蓝色耦合激光的波束形状进行扩展；

步骤4：扩展后的红色探测激光进入原子蒸汽腔5对原子进行照射激励，扩展后的蓝色耦合激光进入原子蒸汽腔5对红色探测激光激励下的原子进行照射，形成电磁感应透明现象，使红色探测激光的透射率增加；

步骤5：光谱探测器6对透过原子蒸汽腔5的红色探测激光信号强度进行测量，并根据红色探测激光的扫频而获取红色探测激光的透射光谱；

步骤6：锁相放大器7对光谱探测器6输出的透射光谱电信号进行放大，并输出至终端8，终端8显示红色探测激光的透射光谱图，并根据透射光谱图进行计算，得到电场强度。

探测激光器1和耦合激光器2为可调谐激光器，所述红色探测激光的波长范围为750nm～810nm，中心波长为780nm，频率扫描范围为±40MHz；所述蓝色耦合激光的波长范围为478nm～488nm，中心波长为483nm。

激光滤波器3为可调谐、窄带激光滤波器，用于将红色探测激光和蓝色耦合激光的线宽调为kHz量级及以下，所述激光滤波器3包括两个反射率在99.99％以上的镜面，两镜面反射面相对布置，两镜面反射面之间的距离通过压电陶瓷调节；可调谐、窄带激光滤波器提高了红色探测激光和蓝色耦合激光的频率稳定性，有效压缩了探测激光透射峰的频谱宽度，提高了峰值分裂间隔的分辨率，而越小的频率间隔对应幅值越小的电场场强，从而提高原子传感器系统的探测灵敏度。

激光扩束装置4用于将红色探测激光及蓝色耦合激光的波束形状同时扩展为圆柱形或矩形，激光扩束装置4包括反射镜和透射镜，激光扩束装置4包括圆柱形扩束装置和矩形扩束装置。

圆柱形扩束装置是双反射面型的扩束装置，其主反射面采用旋转抛物面，副反射面采用旋转双曲面，副反射面的一个焦点与主反射面的焦点重合，主反射面轴心开小孔允许入射窄光束穿过，窄光束入射到副反射面上，经副反射面反射扩散后入射到主反射面上，再经主反射面反射后形成粗圆柱形波束。

矩形扩束装置由柱面镜和凸透镜组成，柱面镜的焦点与凸透镜的焦点重合，入射窄光束经过柱面镜后变成扇面光束，该扇面光束经过凸透镜后变成矩形光束。

激光扩束装置4将蓝色耦合激光的波束直径提高到略大于红色探测激光波束直径，从而提高了参与电磁感应透明的探测激光比例，使电磁感应透射峰值增大，提高原子传感器系统的信噪比和灵敏度。

激光扩束装置4将红色探测激光和蓝色耦合激光的照射范围扩大，可以增加参与电场探测的原子个数，原子个数的增加将降低无蓝色耦合激光时的红色探测激光透射谱信号，同时增加有蓝色耦合激光时的红色探测激光透射峰值信号；当有外界电场辐射时，原子个数的增加将使得峰值分裂的凹槽越深，有利于两峰值之间频率间隔的测量，提高了原子传感器系统的信噪比和灵敏度。

在测量极弱电场强度时，优选的原子蒸汽腔5应为矩形原子蒸汽腔，激光扩束装置4为矩形扩束装置，由柱面镜和凸透镜组成。

在如图3所示的对天线辐射极弱电场强度测量中，其原子传感器系统连接结构与实施例1相同，这里不再赘述两者相同的连接结构部分，主要介绍部分优选元件的区别。本测量方式中，优选的采用高方向性增益的矩形激光光束。为适应矩形的红色探测激光和蓝色耦合激光光束，原子蒸汽腔不再采用现有圆柱形原子蒸汽腔，改用矩形原子蒸汽腔；保证红色探测激光尽量充满整个矩形原子蒸汽腔，蓝色耦合激光完全覆盖红色探测激光以最大限度的利用矩形原子蒸汽腔内的原子。在对天线辐射的极弱电场进行测量时，应把矩形原子蒸汽腔矩形面的法线方向，即高增益方向对准天线，以提高探测灵敏度。

在电场测量过程中，首先利用两束相对传播的激光，即蓝色耦合激光和红色探测激光，且蓝色耦合激光强度远大于红色探测激光强度，将原子蒸汽腔内的碱性原子的最外层电子激发到Rydberg高能态使其对外界电磁场敏感，此时产生电磁感应透明现象，形成红色探测激光光谱的透射峰；然后，施加被测电磁场改变碱性原子的谐振态，此时产生了电磁感应透射峰值的分裂；最后，通过光谱探测器获取红色探测激光透射峰值的分裂量Ω_RF，并利用拉比振荡公式|E_RF|＝(h/ξ_RF)Ω_RF计算得到被测电磁场的场强，式中,|E_RF|为被测电场强度，h为普朗克常量，ξ_RF为原子偶极矩，Ω_RF为探测激光谱分裂的频率间隔。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。