一种量子场强探头和微波场强测量方法

摘要

本申请公开了一种量子场强探头，包括顺序连接的第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱；第一暗箱和第二暗箱通过第一光孔连接；第二暗箱和第三暗箱通过第二光孔连接；第一暗箱中包含第一准直透镜、第二准直透镜、第一二向色镜；第一暗箱壁装有第一光纤法兰盘、第二光纤法兰盘；第三暗箱中包含第三准直透镜、第四准直透镜、第二二向色镜；第二暗箱壁装有第三光纤法兰盘、第四光纤法兰盘；第二暗箱中，包含第一1/2波片、原子蒸气室、第二1/2波片。本申请还包含用上述量子场强探头进行微波测量的方法。

说明书

技术领域

本申请涉及微波计量领域，尤其涉及一种新型的量子场强探头和微波场强测量方法。

背景技术

微波场强测量在微波通讯、遥感、天线校准等方面具有重要意义。特别是近期人们使用无线设备种类繁多，雷达民用普及化程度高的情形下，对微波测量的精确度和灵敏度有了较高的需求。相比于传统的微波场强测量方案，量子场强方式具有高的灵敏度探测，同时也避免传统方案中不可避免的使用金属器件的天线引入的测量误差，量子场强测量基于里德堡原子有较大的电极化率。目前的基于光和原子的相互作用的微波场强测量方案处于原理设计阶段，没有基于工业稳定化设计具体可执行性的场强测量探头。

发明内容

本申请实施例提供一种量子场强探头和微波场强测量方法，解决现有技术没有场强测量探头产品的问题。

本申请实施例提出一种量子场强探头，包括顺序连接的第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱；

第一暗箱和第二暗箱通过第一光孔连接；第二暗箱和第三暗箱通过第二光孔连接；

第一暗箱中，包含第一准直透镜、第二准直透镜、第一二向色镜；第一暗箱壁装有第一光纤法兰盘、第二光纤法兰盘；第一暗箱中的光路为：从第一光纤法兰盘接入的光经第一准直透镜、第一二向色镜、第一光孔进入第二暗箱；从第一光孔进入第一暗箱的光经过第一二向色镜、第二准直透镜、第二光纤法兰盘输出至外接光纤；

第三暗箱中，包含第三准直透镜、第四准直透镜、第二二向色镜；第二暗箱壁装有第三光纤法兰盘、第四光纤法兰盘；第二暗箱中的光路为，从第三光纤法兰盘接入的光经过第三准直透镜、第二二向色镜、第二光孔进入第二暗箱；从第二光孔进入第三暗箱的光经过第二二向色镜、第四准直透镜、第四光纤法兰盘输出至外接光纤；

第二暗箱中，包含第一1/2波片、原子蒸气室、第二1/2波片；自第一光孔进入第二暗箱的光经过第一1/2波片、原子蒸气室、第二1/2波片、第二光孔进入第三暗箱；自第二光孔进入第二暗箱的光经过第二1/2波片、原子蒸气室、第一1/2波片、第一光孔进入第一暗箱。

优选地，所述第一暗箱、第二暗箱和第三暗箱为非金属材料制成，最佳地，所述第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱的壳体为聚四氟乙烯材料。

优选地，所述第二暗箱内包含用于固定原子蒸气室的支撑结构。

进一步优选地，所述第二暗箱内包含转接杆，用于将第一1/2波片和第二1/2波片分别固定连接在支撑结构上。

在本申请中任意一个实施例中，所述第一光孔、第一1/2波片、原子蒸气室、第二1/2波片、第二光孔同心。

在本申请中任意一个实施例中，所述第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱一体形成，包含非金属材料壳体和盖板。

在本申请中任意一个实施例中，所述原子蒸气室采用的铯原子蒸气室。

在本申请中任意一个实施例中，当探测光自第一光纤法兰盘接入、耦合光自第四光纤法兰盘接入时，探测光自第二光孔进入第三暗箱、耦合光自第一光孔进入第一暗箱。所述第一二向色镜为探测光高透、耦合光高反二向色镜；所述第二二向色镜为探测光高反、耦合光高透二向色镜。

本申请还提出一种微波场强测量方法，用本申请任意一项实施例所述的量子场强探头，包含以下步骤：

自第一光纤法兰盘接入探测光，经第三光纤法兰盘输出；

自第四光纤法兰盘接入耦合光，经第二光纤法兰盘输出；

通过原子蒸气室，利用里德堡原子的量子效应，进行微波场强测量。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

为解决传统电学测量方案和光学测量方案的不足，本发明可以通过光纤接口实现探头的即插即用性能，其另外基于原子的测量方案可以将其量值直接溯源至计量基本常数上，具有自校准的优势。本申请提供的一种新型量子场强探头设计，采用对微波不敏感的非金属材料制作，大幅减弱了对被测微波场强的干扰，同时探头内部反射镜和透镜采用集成设计方案，有效的减小了探头的体积。该探头具有集成度高、对被测微波场强干扰小，利用该新型量子场强探头可以将场强量值直接溯源至计量基本常数，具有测量不确定度低，自校准等优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出本发明一种新型量子场强探头结构示意图。

附图标记，1、第一光纤法兰盘；2、非金属材料壳体；3、第一准直透镜；4、第一二向色镜；5、第二准直透镜；6、第二光纤法兰盘；7、第一1/2波片；8、原子蒸气室；9、原子蒸气室支撑结构；10、转接杆；11、第二1/2波片；12、第二二向色镜；13、第三准直透镜；14、第三光纤法兰盘；15、第四准直透镜；16、第四光纤法兰盘；17、上盖板。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

本申请实施例提出一种量子场强探头，包括顺序连接的第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱；

第一暗箱和第二暗箱通过第一光孔连接；第二暗箱和第三暗箱通过第二光孔连接；

第一暗箱中，包含第一准直透镜3、第二准直透镜5、第一二向色镜4；第一暗箱壁装有第一光纤法兰盘1、第二光纤法兰盘6；第一暗箱中的光路为：从第一光纤法兰盘接入的光经第一准直透镜、第一二向色镜、第一光孔进入第二暗箱；从第一光孔进入第一暗箱的光经过第一二向色镜、第二准直透镜、第二光纤法兰盘输出至外接光纤；

第三暗箱中，包含第三准直透镜13、第四准直透镜15、第二二向色镜12；第二暗箱壁装有第三光纤法兰盘14、第四光纤法兰盘16；第二暗箱中的光路为，从第三光纤法兰盘接入的光经过第三准直透镜、第二二向色镜、第二光孔进入第二暗箱；从第二光孔进入第三暗箱的光经过第二二向色镜、第四准直透镜、第四光纤法兰盘输出至外接光纤；

第二暗箱中，包含第一1/2波片7、原子蒸气室8、第二1/2波片11；自第一光孔进入第二暗箱的光经过第一1/2波片、原子蒸气室、第二1/2波片、第二光孔进入第三暗箱；自第二光孔进入第二暗箱的光经过第二1/2波片、原子蒸气室、第一1/2波片、第一光孔进入第一暗箱。

优选地，所述第一暗箱、第二暗箱和第三暗箱为非金属材料制成，最佳地，所述第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱的壳体为聚四氟乙烯材料。固定光学镜片和蒸气室的结构材料选用微波不敏感的聚四氟乙烯材料，将大幅减弱对待测微波场强的干扰，大幅改善测量的准确度。

优选地，所述第二暗箱内包含用于固定原子蒸气室的支撑结构。最佳地，所述支撑结构采用聚四氟乙烯外壳制作的原子蒸气室夹具，便于安装更换不同类型种类的原子气室。

进一步优选地，所述第二暗箱内包含转接杆，用于将第一1/2波片和第二1/2波片分别固定连接在支撑结构上。第一1/2波片和第二1/2波片均包含固定部和旋转部，转接杆固定连接于固定部；旋转部通过手工拨动或电机驱动，使第一1/2波片、第一1/2波片能够垂直于光路绕原子蒸气室轴向转动。

在本申请中任意一个实施例中，所述第一光孔、第一1/2波片、原子蒸气室、第二1/2波片、第二光孔同心。此处，所述原子蒸气室为圆柱形腔体结构。

在本申请中任意一个实施例中，所述第一暗箱、第二暗箱、第三暗箱一体形成，包含非金属材料壳体2和盖板17。盖板17用于密封新型量子场强探头。

在本申请中任意一个实施例中，优选地，所述原子蒸气室采用的铯原子蒸气室。

在本申请中任意一个实施例中，当探测光自第一光纤法兰盘接入、耦合光自第四光纤法兰盘接入时，探测光自第二光孔进入第三暗箱、耦合光自第一光孔进入第一暗箱。所述第一二向色镜为探测光高透、耦合光高反二向色镜；所述第二二向色镜为探测光高反、耦合光高透二向色镜。

本申请还提出一种微波场强测量方法，用本申请任意一项实施例所述的量子场强探头，包含以下步骤：

步骤10、自第一光纤法兰盘接入探测光，经第三光纤法兰盘输出；

步骤20、自第四光纤法兰盘接入耦合光，经第二光纤法兰盘输出；

如图1所示的，探测光输入第一光纤法兰盘1后经过第一准直透镜3实现探测光准直输出，之后穿过第一二向色镜4和第一1/2波片7进入原子蒸气室8，探测光与耦合光反向传输通过双光子激发将原子蒸气室8内的原子激发至里德堡态。随后探测光经过第二1/2波片11，再经第二二向色镜12反射进入第三准直透镜13耦合进第三光纤法兰盘14输出。

耦合光输入第四光纤法兰盘16后经过第四准直透镜15实现耦合光准直输出，之后穿过第二二向色镜12和第二1/2波片11进入原子蒸气室8，耦合光与探测光反向传输通过双光子激发将原子蒸气室8内的原子激发至里德堡态。随后耦合光经过第一1/2波片7，再经第一二向色镜4反射进入第二准直透镜5耦合进第二光纤法兰盘6输出。

步骤30、通过原子蒸气室，利用里德堡原子的量子效应，进行微波场强测量。

进一步地，本步骤还包含，与圆柱形腔体结构的原子蒸气室轴向同心地旋转第一1/2波片和或第二1/2波片，使得原子蒸气室的反应强度加强。

本申请的第一暗室、第二暗室、第三暗室结构设计，使第一暗室和第三暗室避免受到原子蒸气室散射光影响，减小探测光和耦合光输出监测误差。同时，本申请的结构设计使各部件集成安装，提高了装置精密度。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。