本發(fā)明涉及微波場在空間傳播的場強(qiáng)測量技術(shù)，具體為基于里德堡量子相干效應(yīng)的微波場二維分布測量方法。

背景技術(shù)：

微波在人們的日常生活以及軍事科技等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，比如衛(wèi)星通信，雷達(dá)探測等。微波場的場強(qiáng)測量及其空間分布是微波測量的重要組成部分。傳統(tǒng)微波場的場強(qiáng)測量是利用以偶極天線或者微波喇叭為基礎(chǔ)的場強(qiáng)儀或者頻譜儀進(jìn)行測量，該方法通過偶極天線接收微波信號，轉(zhuǎn)換成場強(qiáng)儀輸入電壓進(jìn)行探測。由于傳統(tǒng)的場強(qiáng)測量方法是基于天線的，因此對于近場或者弱場探測，具有較大的誤差。在微波場分布測量方面，傳統(tǒng)方法是利用微波的熱效應(yīng)，反推微波的場強(qiáng)分布，這種方法需要使用具有熱聲效應(yīng)的器件作為傳感器，測量具有延遲性，且限于器件大小，空間分辨率不高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于里德堡量子相干效應(yīng)的微波場二維分布測量方法。利用里德堡原子的EIT-AT效應(yīng)，測量探測光透射光譜分裂峰的裂距，獲得微波場強(qiáng)大??；并且通過陣列單元感應(yīng)蒸汽池，測量微波場的空間分布。

本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于里德堡量子相干效應(yīng)的微波場二維分布測量方法，采用原子蒸汽池感應(yīng)陣列；所述原子蒸汽池感應(yīng)陣列包括多個大小相同的棱形原子蒸汽池單元，所述每個棱形原子蒸汽池單元在水平面的投影呈等腰直角三角形，多個棱形原子蒸汽池單元按照直角頂角朝向交替反向的規(guī)律順次排列，相鄰的棱形原子蒸汽池單元相鄰的直角邊之間相互緊貼；直角頂角朝向相同的多個棱形原子蒸汽池的斜邊面位于同一平面上，共同構(gòu)成原子蒸汽池感應(yīng)陣列的兩個相互平行的側(cè)面；整個原子蒸汽池感應(yīng)陣列在水平面的投影呈梯形或平行四邊形；連接多個棱形原子蒸汽池單元的直角邊中點的直線構(gòu)成棱形原子蒸汽池的軸向；每個棱形原子蒸汽池單元內(nèi)均充有同一種堿金屬原子蒸汽；所述測量方法包括如下步驟：（a）、將探測光即作用于堿金屬原子基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)的弱光頻率鎖定在這兩個能級的共振位置，并且通過分束器分成與棱形原子蒸汽池單元數(shù)目相同的多束，每束探測光均對應(yīng)一個棱形原子蒸汽池單元；將每束探測光均從其對應(yīng)的棱形原子蒸汽池單元的斜邊面垂直入射至該棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，在棱形原子蒸汽池單元內(nèi)通過兩次全反射從相同斜邊面出射；（b）、探測光經(jīng)過每個棱形原子蒸汽池單元后均入射至一個CCD探測單元，通過對CCD探測單元進(jìn)行位置編碼，獲得每個棱形原子蒸汽池單元光譜信息與位置的關(guān)聯(lián)信息；（c）、引入耦合光，耦合光耦合于堿金屬原子的第一激發(fā)態(tài)與里德堡nS/nD能級，將耦合光分成兩束，分別引至原子蒸汽池感應(yīng)陣列的兩個側(cè)面所在的兩側(cè)，其中一束耦合光按照該側(cè)棱形原子蒸汽池單元的排列順序依次入射：入射至每個棱形原子蒸汽池單元內(nèi)的耦合光光路均與步驟（a）中入射至該棱形原子蒸汽池單元的探測光反向重合，由第一個棱形原子蒸汽池單元出射的耦合光反射后入射至相鄰且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，然后出射的耦合光再經(jīng)反射后入射至下一個相鄰且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，這樣依次完成對該側(cè)棱形原子蒸汽池單元的入射；另一束耦合光在原子蒸汽池感應(yīng)陣列的另一側(cè)做相同的光路循環(huán)；（d）、掃描耦合光的頻率，每個棱形原子蒸汽池單元對應(yīng)的CCD探測單元都會得到無多普勒背景的探測光的EIT透射光譜；（e）、將該原子蒸汽池感應(yīng)陣列置于微波環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境中的微波頻率與滿足電偶極躍遷的兩個里德堡能級共振時，每個棱形原子蒸汽池單元的EIT透射譜都會發(fā)生特征分裂，利用譜線的分裂大小可以得到不同棱形原子蒸汽池單元測量的微波場強(qiáng)信息，通過步驟（b）繪制每個棱形原子蒸汽池單元中測得的場強(qiáng)大小與該棱形原子蒸汽池單元的位置關(guān)系便可以獲得微波場在里德堡蒸汽池陣列軸向的一維分布；（f）、將原子蒸汽池感應(yīng)陣列沿垂直陣列軸向的方向進(jìn)行掃描，同時在每個掃描位置，保證原子蒸汽池感應(yīng)陣列都能夠測量得到陣列軸向的微波場分布，通過這樣的方法可以得到微波場在二維平面的場分布。

本發(fā)明所述方法基于里德堡原子間的能級間隔處于微波頻段，使用一套裝置即可進(jìn)行全微波段的微波場強(qiáng)測量。

本發(fā)明所述方法的工作原理如下：里德堡原子即高激發(fā)態(tài)原子，具有能級間隔小，相近里德堡態(tài)間躍遷偶極矩大的特點，里德堡原子所具有的這兩種特性使其成為微波測量，特別是弱場測量理想感應(yīng)元件。本方法涉及的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中3為一個棱形原子蒸汽池單元，其結(jié)構(gòu)為等腰直角三角形原子蒸汽池(為闡明陣列結(jié)構(gòu)，已將斜邊進(jìn)行壓縮)，圖中探測光1經(jīng)過分束分別導(dǎo)入棱形原子蒸汽池單元中，在兩直角邊經(jīng)過全反射后通過一個雙色鏡2(探測光高透、耦合光高反)進(jìn)入CCD探測單元5進(jìn)行探測，耦合光4分為兩束，分別從陣列兩側(cè)進(jìn)入棱形原子蒸汽池單元，在每個蒸汽池中，經(jīng)過鍍有耦合光波段高反膜的直角邊兩次反射再通過一個雙色鏡2(探測光高透、耦合光高反)進(jìn)入同側(cè)的相鄰棱形原子蒸汽池單元，以此類推。兩束光的直徑皆為百微米量級。圖1所示的棱形原子蒸汽池單元的斜邊尺寸為10mm，壁厚0.5mm，考慮激光功率以及分光效率，陣列由50個相同蒸汽池交叉粘合組成。整個光路以及探測系統(tǒng)固定于運動控制平移臺6上，可以進(jìn)行陣列軸向及其垂直方向的步進(jìn)小于1mm的平移操作。

圖2所示為本方法的原理所依據(jù)的光場以及原子能級示意圖，其中探測光激發(fā)銫原子6S_1/2->6P_3/2的躍遷，并將其頻率鎖定在該躍遷共振頻率；耦合光耦合6P_3/2與里德堡nS/nD能級，通過掃描耦合光頻率，獲得探測光的EIT透射光譜。當(dāng)有微波場作用的時候，如果其頻率相等于激發(fā)獲得的nS/nD里德堡態(tài)與允許電偶極躍遷的相近里德堡態(tài)的能級間隔，則原子在該微波場的作用下，里德堡能級發(fā)生AT分裂，探測光的EIT透射光譜也會產(chǎn)生分裂，分裂峰的間距與微波場的拉比頻率Ω_MW相等，由拉比頻率的表達(dá)式可知：

其中為兩個里德堡能級間的偶極躍遷矩陣元，|E|為微波電場強(qiáng)度。

因此微波場強(qiáng)可以表示為：

通過測量探測光EIT透射峰的分裂間隔Δf便可以得到微波場強(qiáng)的大小。

原子蒸汽池感應(yīng)陣列以及CCD探測陣列所處的微波環(huán)境中，如果微波場在空間分布是不均勻的，則通過每個棱形原子蒸汽池單元所測量得到的探測光透射光譜的分裂大小各不不同，進(jìn)而獲得各個棱形原子蒸汽池單元所處位置的微波場強(qiáng)大小，將測得的微波場強(qiáng)大小與蒸汽池單元的位置信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，則可以得到微波場的空間二維分布。

采用本發(fā)明所述方法進(jìn)行微波場強(qiáng)空間二維分布的測量，具有可測微波頻率帶寬大的特點，覆蓋頻率從100MHz~100GHz，尤其對于近場或者弱場測量具有原理性的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于里德堡原子量子相干效應(yīng)的微波場強(qiáng)二維分布成像方法的結(jié)構(gòu)裝置示意圖。

1-探測光，2-雙色鏡(耦合光高反探測光高透)，3-棱形原子蒸汽池單元，4-耦合光，5-CCD探測單元，6-運動控制平移臺。

圖2是本發(fā)明方法所述的光場、微波場以及原子能級示意圖。

圖3為通過平移單個原子蒸汽池所測量的f_MW為32.6GHz左右的微波場強(qiáng)一維分布，其空間分辨率<1mm。

圖4為單個棱形原子蒸汽池單元測量得到的f_MW為6.9GH左右的微波場強(qiáng)二維空間分布，其空間分辨率<1mm。

具體實施方式

一種基于里德堡量子相干效應(yīng)的微波場二維分布測量方法，采用原子蒸汽池感應(yīng)陣列；所述原子蒸汽池感應(yīng)陣列包括多個大小相同的棱形原子蒸汽池單元，所述每個棱形原子蒸汽池單元在水平面的投影呈等腰直角三角形，多個棱形原子蒸汽池單元按照直角頂角朝向交替反向的規(guī)律順次排列，相鄰的棱形原子蒸汽池單元相鄰的直角邊之間相互緊貼；直角頂角朝向相同的多個棱形原子蒸汽池的斜邊面位于同一平面上，共同構(gòu)成原子蒸汽池感應(yīng)陣列的兩個相互平行的側(cè)面；整個原子蒸汽池感應(yīng)陣列在水平面的投影呈梯形或平行四邊形；連接多個棱形原子蒸汽池單元的直角邊中點的直線構(gòu)成棱形原子蒸汽池的軸向；每個棱形原子蒸汽池單元內(nèi)均充有同一種堿金屬原子蒸汽；所述測量方法包括如下步驟：（a）、將探測光即作用于堿金屬原子基態(tài)與第一激發(fā)態(tài)的弱光頻率鎖定在這兩個能級的共振位置，并且通過分束器分成與棱形原子蒸汽池單元數(shù)目相同的多束，每束探測光均對應(yīng)一個棱形原子蒸汽池單元；將每束探測光均從其對應(yīng)的棱形原子蒸汽池單元的斜邊面垂直入射至該棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，在棱形原子蒸汽池單元內(nèi)通過兩次全反射從相同斜邊面出射；（b）、探測光經(jīng)過每個棱形原子蒸汽池單元后均入射至一個CCD探測單元，通過對CCD探測單元進(jìn)行位置編碼，獲得每個棱形原子蒸汽池單元光譜信息與位置的關(guān)聯(lián)信息；（c）、引入耦合光，耦合光耦合于堿金屬原子的第一激發(fā)態(tài)與里德堡nS/nD能級，將耦合光分成兩束，分別引至原子蒸汽池感應(yīng)陣列的兩個側(cè)面所在的兩側(cè)，其中一束耦合光按照該側(cè)棱形原子蒸汽池單元的排列順序依次入射：入射至每個棱形原子蒸汽池單元內(nèi)的耦合光光路均與步驟（a）中入射至該棱形原子蒸汽池單元的探測光反向重合，由第一個棱形原子蒸汽池單元出射的耦合光反射后入射至相鄰且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，然后出射的耦合光再經(jīng)反射后入射至下一個相鄰且直角朝向相同的棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，這樣依次完成對該側(cè)棱形原子蒸汽池單元的入射；另一束耦合光在原子蒸汽池感應(yīng)陣列的另一側(cè)做相同的光路循環(huán)；（d）、掃描耦合光的頻率，每個棱形原子蒸汽池單元對應(yīng)的CCD探測單元都會得到無多普勒背景的探測光的EIT透射光譜；（e）、將該原子蒸汽池感應(yīng)陣列置于微波環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境中的微波頻率與滿足電偶極躍遷的兩個里德堡能級共振時，每個棱形原子蒸汽池單元的EIT透射譜都會發(fā)生特征分裂，利用譜線的分裂大小可以得到不同棱形原子蒸汽池單元測量的微波場強(qiáng)信息，通過步驟（b）繪制每個棱形原子蒸汽池單元中測得的場強(qiáng)大小與該棱形原子蒸汽池單元的位置關(guān)系便可以獲得微波場在里德堡蒸汽池陣列軸向的一維分布；（f）、將原子蒸汽池感應(yīng)陣列沿垂直陣列軸向的方向進(jìn)行掃描，同時在每個掃描位置，保證原子蒸汽池感應(yīng)陣列都能夠測量得到陣列軸向的微波場分布，通過這樣的方法可以得到微波場在二維平面的場分布。

每個棱形原子蒸汽池單元的斜邊面都配有一個或一對探測光高透耦合光高反的雙色鏡，以保證探測光透射、耦合光反射且反射的耦合光進(jìn)入相鄰的下一個棱形原子蒸汽池單元內(nèi)；所述的CCD探測單元分別位于進(jìn)入每個棱形原子蒸汽池單元的探測光出射光路所對應(yīng)的雙色鏡的透射光路上；多個棱形原子蒸汽池單元的CCD探測單元構(gòu)成探測器陣列，并行測量得到探測光的總透射光譜。

所述原子蒸汽池感應(yīng)陣列、相配的CCD探測單元和雙色鏡均位于一個運動控制平移臺之上，以實現(xiàn)對于待測微波環(huán)境的二維測量。

所使用的棱形原子蒸汽池單元利用了探測光的全反射原理構(gòu)成光路，需要在棱形原子蒸汽池單元兩個直角邊鍍耦合光的高反射膜，以保證耦合光的反射效率。

為了保證微波頻率的寬帶適應(yīng)性(100MHz~100GHz)，棱形原子蒸汽池單元的斜邊尺寸<10mm。

每個棱形原子蒸汽池單元對應(yīng)的CCD探測單元尺寸<1mm。

通過運動控制模塊操控原子蒸汽池感應(yīng)陣列的移動掃描速度要遠(yuǎn)小于激光掃描頻率，使得原子蒸汽池感應(yīng)陣列在每一個掃描位置，都可以得到該位置陣列軸向的微波場一維分布，原子蒸汽池感應(yīng)陣列的掃描步進(jìn)<1mm。

使用數(shù)據(jù)采集以及處理模塊對CCD探測器陣列的采集時序進(jìn)行控制并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到微波場的二維分布。

本發(fā)明的儀器裝置包括，a.探測光與耦合光分束器，其中探測光所需光強(qiáng)較弱，因此經(jīng)過兩路分束后，每路可以再分為25路，共50路光束，分別經(jīng)棱形原子蒸汽池單元斜邊入射，經(jīng)過兩次全反射，由同一斜邊出射，由CCD探測單元探測；耦合光所需光強(qiáng)較大，因此經(jīng)過分束器分為兩束，每一束滿足原子蒸汽池感應(yīng)陣列一側(cè)的使用，在棱形原子蒸汽池單元內(nèi)經(jīng)過高反射膜反射與探測光反向重合，在蒸汽池外經(jīng)過兩個雙色鏡(探測光高透耦合光高反)的反射進(jìn)入同側(cè)相鄰棱形原子蒸汽池單元；b.關(guān)聯(lián)的CCD探測單元，每個CCD探測單元由計算機(jī)進(jìn)行編碼以及光譜數(shù)據(jù)采集，以獲得每個棱形原子蒸汽池單元所測微波場強(qiáng)與位置的關(guān)系；c.運動控制平移臺，利用計算機(jī)對運動控制平移臺的掃描平移速度進(jìn)行控制，完成微波場強(qiáng)的二維空間分布測量。

圖1中，探測光分為多束后，分成兩部分，一部分從原子蒸汽池感應(yīng)陣列一側(cè)的多個棱形原子蒸汽池單元斜邊入射，經(jīng)過兩次反射后出射；另一部分從原子蒸汽池感應(yīng)陣列另一側(cè)的多個棱形原子蒸汽池單元斜邊入射并出射。圖1中耦合光由右向左分別入射至棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，圖中最左端的棱形原子蒸汽池單元的斜邊外設(shè)有一個雙色鏡，雙色鏡外還設(shè)有CCD探測單元，用于采集探測光；與該棱形原子蒸汽池單元相鄰的棱形原子蒸汽池單元的斜邊外設(shè)有一對雙色鏡，為敘述方便稱作第一雙色鏡和第二雙色鏡（圖1中下方左起第二和第三個雙色鏡）；第一雙色鏡用于探測光入射至對應(yīng)的棱形原子蒸汽池單元，第二雙色鏡用于探測光從該棱形原子蒸汽池單元透射出并被CCD探測單元探測；第二雙色鏡還用于將鄰近耦合光反射入相應(yīng)的棱形原子蒸汽池單元內(nèi)，經(jīng)過反射后又被第一雙色鏡反射至下一個棱形原子蒸汽池單元的雙色鏡；耦合光的光路由右向左一次完成對這一側(cè)棱形原子蒸汽池單元的入射。