一种提高微波电场测量空间分辨率的装置及方法

摘要

本发明公开了一种提高微波电场测量空间分辨率的装置及方法，装置包括：柱透镜组、法布里‑珀罗光学谐振腔、方形原子蒸汽池以及具有空间分辨能力的探测器；探测光从一侧射入所述柱透镜组，耦合光从另一侧射入所述方形原子蒸汽池。本发明利用柱透镜将探测光整形成薄片光束，耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池，在传播过程中使耦合光与探测光的薄片光束在方形原子蒸汽池中垂直相交。同时在方形原子蒸汽池的外部增加法布里‑珀罗光学谐振腔，利用光学腔的来回反射增加探测光、耦合光与原子相互作用的长度，提高信号读取的信噪比，通过具有空间分辨的探测器获得探测光的空间分辨的光谱，进而获得真正的微波电场三维空间分辨测量。

说明书

技术领域

本发明涉及微波电场领域，具体涉及一种提高微波电场测量空间分辨率的装置及方法。

背景技术

里德堡原子由于具有大的电偶极矩，因此在量子存储、量子计算、量子仿真、量子传感器方面有非常大的应用前景。基于里德堡原子的阶梯型电磁感应透明受到广泛的研究，近几年人们发展了基于里德堡原子的电磁感应透明(EIT)和Autler-Townes(AT)分裂效应来测量微波电场的方案，可以从AT分裂的间距可以直接得到微波电场的强度。这种微波电场量子传感器为微波电场的测量提供了量子基准[Nature Physics,8,819-824(2012)]，具有自校准、精度高、灵敏度高等优势倍受到人们的关注。如何同时高空间分辨地测量微波电场是微波在医疗保健、材料无损检测、雷达等应用领域中的关键核心问题之一。目前微波电场量子传感器的空间分辨率是指激光束的尺寸，但在实际应用中，为了获得足够的信噪比，一般将探测光和耦合光两束光在原子蒸汽池中反向传播并重合，然后信号是来自两束光在传播方向上与原子相互作用的所有信号的叠加，也就是空间分辨只是在光束横截面上的二维分辨，这个分辨与光斑大小一样可以精确到几百个微米[Nature Physics,8,819-824(2012)]，或者用CCD观测光斑实现更高的二维空间分辨[Opt.Lett.39,3030-3033(2014)]。但在光束传播方向上并没有实现高空间分辨，一般是需要几十个毫米的作用长度才能得到信噪比足够好的信号。也有将原子蒸汽池的尺寸做到很小，但同样信号仍无法获得激光传输方向上的高空间分辨测量。总之，目前的方法很难得到真正三维的空间分辨。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种提高微波电场测量空间分辨率的装置及方法，可以同时高效地获得高精度三维空间分辨的微波电场测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述装置包括：柱透镜组、法布里-珀罗光学谐振腔、方形原子蒸汽池以及具有空间分辨能力的探测器；探测光从一侧射入所述柱透镜组，耦合光从另一侧射入所述方形原子蒸汽池；

所述柱透镜组位于所述法布里-珀罗光学谐振腔上方，用于将所述探测光从高斯光束转变为薄片光束后耦合进所述法布里-珀罗光学谐振腔；

所述法布里-珀罗光学谐振腔包括两面水平设置且相互平行的反射镜，所述方形原子蒸汽池位于两面反射镜中间，位于上方的反射镜两端分别安装有压电陶瓷，用于精确控制腔长；

所述探测光的薄片光束耦合进所述法布里-珀罗光学谐振腔中，穿过所述方形原子蒸汽池后，再经位于下方的反射镜射出；所述耦合光从另一侧射入所述方形原子蒸汽池中，与所述探测光的薄片光束在所述方形原子蒸汽池中垂直相交；

所述探测器位于所述法布里-珀罗光学谐振腔下方，用于收集所述探测光，获得所述探测光的空间分辨的光谱信息。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述柱透镜组包括从左至右依次设置的两面竖直设置且相互平行的柱透镜，以及一面与水平方向呈预设角度的反射镜，所述两面柱透镜的间距是二者的焦距之和。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述法布里-珀罗光学谐振腔的两面反射镜为镀膜的反射镜，镀膜材料为介质膜。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述法布里-珀罗光学谐振腔的镀膜反射率为96.91％，精细度为100。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述法布里-珀罗光学谐振腔的腔长为1.5cm，自由程为10GHz。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述耦合光通过两面相互平行的反射镜射入所述方形原子蒸汽池。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述探测器为阵列式的光电二极管或CCD。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，所述探测光为波长780nm探测光，所述法布里-珀罗光学谐振腔为波长780nm法布里-珀罗光学谐振腔。

本发明实施例中还提供了一种提高微波电场测量空间分辨率的方法，所述方法包括：

(1)将探测光从一侧射入柱透镜组，耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池；

(2)所述柱透镜组将所述探测光从高斯光束转变为薄片光束后耦合进法布里-珀罗光学谐振腔；

(3)所述探测光的薄片光束耦合进所述法布里-珀罗光学谐振腔中，穿过所述方形原子蒸汽池后，再经位于下方的反射镜射出，同时所述耦合光从另一侧射入所述方形原子蒸汽池中，使所述耦合光与所述探测光的薄片光束在所述方形原子蒸汽池中垂直相交；

(4)所述探测器收集从所述法布里-珀罗光学谐振腔下方射出的所述探测光，获得所述探测光的光谱信息。

进一步，如上所述的一种提高微波电场测量空间分辨率的方法，步骤(4)包括：

所述探测器在扫描所述探测光频率时，同时记录所述探测光强在空间上的变化，通过选取像素点合集，得到在Y-Z平面上的里德堡原子电磁感应透明的AT分裂光谱，从所述AT分裂光谱中得到微波电场强度，进而得到XYZ三个方向的微波电场的强度，即同时获得真正的微波电场三维空间高分辨测量。

本发明的有益效果在于：本发明利用柱透镜将探测光整形成薄片光束，耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池，在传播过程中使耦合光与探测光的薄片光束在方形原子蒸汽池中垂直相交。同时在方形原子蒸汽池的外部增加法布里-珀罗光学谐振腔，利用光学腔的来回反射增加探测光、耦合光与原子相互作用的长度，提高探测器信号读取的信噪比，进而同时获得真正的微波电场三维空间分辨测量，这种微波探测可以应用在医疗保健、材料无损检测、雷达等领域。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种提高微波电场测量空间分辨率的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的实验数据分析示意图；

图3为本发明实施例中提供的里德堡EIT的AT分裂示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种提高微波电场测量空间分辨率的方法的流程示意图。

附图中，1-探测光，2-柱透镜组，3-方形原子蒸汽池，4-法布里-珀罗光学谐振腔，5-压电陶瓷，6-耦合光，7-探测器。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种提高微波电场测量空间分辨率的装置，装置包括：柱透镜、法布里-珀罗光学谐振腔、方形原子蒸汽池以及具有空间分辨能力的探测器；探测光从一侧射入柱透镜，耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池。

柱透镜位于法布里-珀罗光学谐振腔上方，用于将探测光从高斯光束转变为薄片光束后耦合进法布里-珀罗光学谐振腔。可选地，柱透镜组包括从左至右依次设置的两面竖直设置且相互平行的柱透镜，以及一面与水平方向呈预设角度的反射镜，两面柱透镜的间距是二者的焦距之和。具体地，利用一组柱透镜将探测光从直径300微米的高斯光束转变厚度300微米，宽度35毫米的薄片光束，图1中实线箭头表示的是探测光的光路。

法布里-珀罗光学谐振腔包括两面水平设置且相互平行的反射镜，方形原子蒸汽池位于两面反射镜中间，位于上方的反射镜两端分别安装有压电陶瓷，用于精确控制腔长。法布里-珀罗光学谐振腔的两面反射镜为镀膜的反射镜，为了不影响微波的传输，镀膜材料设计为介质膜。法布里-珀罗光学谐振腔的镀膜反射率为96.91％，精细度为100。法布里-珀罗光学谐振腔的腔长为1.5cm，自由程为10GHz。可选地，如果探测光为波长780nm探测光，则法布里-珀罗光学谐振腔为波长780nm法布里-珀罗光学谐振腔。

由于镀膜反射率将决定光学腔的精细度F，以及透过光谱的线宽，因此，为了满足光谱扫描范围的要求，针对780nm法布里-珀罗光学谐振腔，需要选择合适的镀膜反射率R和腔长。第一点，精细度F越高，探测光在原子池中反射的次数越多，等价于与原子、耦合光相互作用的长度就越大；第二点，精细度F越高，透过光学谐振腔的光谱线宽就越窄，在实际测量微波电场的过程中，要求透过光谱的线宽要大于100MHz。为了平衡这两点，将精细度F取为100左右(对应反射率R为96.91％)，此时相互作用长度＝100*300微米＝30毫米，完全满足实验要求。同时在光学腔的一个镜子上，安装压电陶瓷，用于精确控制腔长以满足780nm里德堡EIT共振透过的条件。腔长选择L＝1.5cm，对应腔的自由程是10GHz，精细度F＝100时的透过光谱线宽时100MHz，满足光谱扫描范围的要求。对于R＝96.91％的镀膜，以及对应F＝100光学谐振腔的耦合调节，都是非常简单易操作的。

需要说明的是，本文所使用的所有数值均为优选的实施例。

探测光的薄片光束耦合进法布里-珀罗光学谐振腔中，穿过方形原子蒸汽池后，再经位于下方的反射镜射出。耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池中，与探测光的薄片光束在方形原子蒸汽池中垂直相交，图1中虚线箭头表示的是耦合光的光路。耦合光可以通过两面相互平行的反射镜射入方形原子蒸汽池，方形原子蒸汽池的尺寸比耦合光的直径大。为了减小探测光多次往返经过原子的吸收，设计方形原子蒸汽池在波长780nm探测光的传播方向(图1中X方向)上尽可能小，实际实施中比耦合光的直径大就可以。或者通过降低原子蒸汽池中的铷分压，来减小探测光多次往返经过原子的吸收。

探测器位于法布里-珀罗光学谐振腔下方，用于收集探测光，获得探测光的光谱信息。可选地，探测器可以是阵列式的光电二极管或CCD。假设探测器为CCD，在扫描探测光频率时，CCD同时记录探测光强在空间上的变化，通过选取像素点合集，即可得到在Y-Z平面上的里德堡原子电磁感应透明的AT分裂光谱，从AT分裂间隔可以得到微波电场强度，进而得到XYZ三个方向的微波电场的强度，即同时获得真正的微波电场三维空间高分辨测量。图2给出的是实验数据分析示意图，数据来自仿真，纵轴是探测光的频率变化，横轴是空间Z方向的分布，由不同的频率的CCD截图拼接而成。图2展示的是探测光在CCD上Y方向所有像素强度的求和。事实上，如前所述如果截取Y方向的一部分，可以进一步获得Y方向的空间分布。Y-Z平面的空间分辨率取决于像素点个数的选择，最高可到单像素十几个微米的超高空间分辨，X方向的空间分辨由480nm耦合光的光斑大小决定。图3展示的是里德堡EIT的AT分裂示意图，截取的是图2中Z＝0-0.3mm的数据，横轴是探测光的失谐量，纵轴是探测光的强度。从两个峰的间隔，也就是AT分裂间隔，可以得到微波电场的强度。同时获得了三维空间分辨，X方向的空间分辨是300微米，由耦合光直径决定；Y方向的空间分辨和Z方向的空间分辨取决于CCD数据的选择，这里也是300微米。

与图1所示的装置相对应，本发明实施例还提供了一种提高微波电场测量空间分辨率的方法，如图4所示，该方法包括以下步骤：

S100、将探测光从一侧射入柱透镜组，耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池；

S200、柱透镜组将探测光从高斯光束转变为薄片光束后耦合进法布里-珀罗光学谐振腔；

S300、探测光的薄片光束耦合进法布里-珀罗光学谐振腔中，穿过方形原子蒸汽池后，再经位于下方的反射镜射出，同时耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池中，使耦合光与探测光的薄片光束在方形原子蒸汽池中垂直相交；

S400、探测器收集从法布里-珀罗光学谐振腔下方射出的探测光，获得探测光的光谱信息。

步S400包括：

探测器在扫描探测光频率时，同时记录探测光强在空间上的变化，通过选取像素点合集，得到在Y-Z平面上的里德堡原子电磁感应透明的AT分裂光谱，从AT分裂光谱中得到微波电场强度，进而得到XYZ三个方向的微波电场的强度，即同时获得真正的微波电场三维空间高分辨测量。

本实施例中，将探测光从一侧射入柱透镜组，利用柱透镜将探测光整形成薄片光束，也就是探测光是一个面，耦合光是一条线，同时耦合光从另一侧射入方形原子蒸汽池，在传播过程中使耦合光与探测光的薄片光束在方形原子蒸汽池中垂直相交。为了提高信号读取的信噪比，本实施例在方形原子蒸汽池的外部增加一对波长780nm镀膜的反射镜，在探测光传播的方向提供一个法布里-珀罗光学谐振腔，利用光学腔的来回反射增加探测光、耦合光与原子相互作用的长度，提高探测器信号读取的信噪比，进而同时获得真正的微波电场三维空间分辨测量。

本发明实现了真正的微波电场三维高精度空间分辨，空间分辨由已有的二维扩展到三维，三个维度的空间分辨中，与探测光传播垂直方向的空间分辨取决于CCD探测器的空间分辨，在本文中是指Y-Z平面，可以到几十个微米，与探测光传播方向平行方向的空间分辨取决于耦合光的光斑直径，在本文中是指X方向。结合光学腔增加探测光与原子、耦合光相互作用长度的方法，可以在保证光谱数据读取信噪比的同时，获得真正的微波电场三维空间高分辨测量。具有测量速度快、效率高等特点，可以快速得到微波电场的三维空间分布，非常适用于微波技术在医疗保健、材料无损检测、雷达等应用领域。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。