本發(fā)明提出了一種基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，涉及微波電場測量。

背景技術(shù)：

1、在量子精密測量領(lǐng)域，基于里德堡原子電磁誘導(dǎo)透明（electromagneticallyinduced?transparency，eit）的微波電場測量技術(shù)發(fā)展迅速。eit指的是在加入與激發(fā)態(tài)到里德堡態(tài)躍遷共振的耦合光后，與基態(tài)到激發(fā)態(tài)躍遷共振的探測光由原本被原子吸收的狀態(tài)變成透過的狀態(tài)的現(xiàn)象，是一種量子干涉效應(yīng)，本質(zhì)上是由于暗態(tài)本征態(tài)的存在所形成。為了盡可能減弱多普勒效應(yīng)帶來的影響，一般需要兩路光對向傳播，通過將兩路光中其中一路鎖定到對應(yīng)躍遷的共振頻率上，掃描另一路光頻率，可以看到eit透過峰。當(dāng)對原子施加與第一里德堡態(tài)和第二里德堡態(tài)躍遷共振的微波電場時(shí)，在微波綴飾下，形成兩個(gè)暗態(tài)本征態(tài)，原本的eit透過峰會分裂為兩個(gè)對稱的峰，這種現(xiàn)象稱為at分裂（autler-townessplitting），兩個(gè)峰的分裂間距與微波電場的拉比頻率相關(guān)，如果微波電場存在失諧，分裂間距還與微波電場相對于微波躍遷的失諧相關(guān)。?，d是考慮熱原子系統(tǒng)多普勒失匹引入的修正系數(shù)，對于掃描耦合光，取值為1；對于掃描探測光，取值為。根據(jù)拉比頻率定義可以推算出電場強(qiáng)度，是里德堡躍遷的矩陣元。

2、近年來，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)提出了利用里德堡原子實(shí)現(xiàn)高靈敏度微波電場測量的方案：科羅拉多大學(xué)的matthew?t.simons等人提出利用里德堡原子氣室作為原子混頻器，將20ghz的射頻電場變頻到khz量級的中頻信號來測量射頻電場相位；山西大學(xué)的景明勇等人利用里德堡原子傳感器實(shí)現(xiàn)了超外差探測，顯著提高了電場強(qiáng)度測量的靈敏度；馬里蘭大學(xué)的cox等人實(shí)現(xiàn)了對直流到20ghz信號的連續(xù)探測，具有較高的內(nèi)稟靈敏度和瞬時(shí)帶寬。然而，上述技術(shù)并未同時(shí)對多個(gè)波段的微波信號進(jìn)行超外差探測。而現(xiàn)代多波段雷達(dá)系統(tǒng)需要對多個(gè)波段的雷達(dá)信號進(jìn)行同步接收和探測，例如s波段雷達(dá)用于追蹤，x波段雷達(dá)用于火控。因此，需要一種能夠同時(shí)覆蓋多個(gè)波段的接收機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提高了一種基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，包括：探測光激光器，耦合光激光器，堿金屬原子氣室，多個(gè)波段的微波信號源，多種波段的微波電場接收喇叭，多種波段的本振微波電場發(fā)射喇叭，多種波段的混頻后微波電場發(fā)射喇叭和多種波段的合路器；

2、所述探測光激光器提供的探測光和所述耦合光激光器提供的耦合光對向進(jìn)入所述堿金屬原子氣室；

3、多個(gè)波段的微波信號源均產(chǎn)生兩路信號，一路微波信號通過各波段的的本振微波電場發(fā)射喇叭向空間中發(fā)射，經(jīng)過各波段的的微波電場接收喇叭接收對應(yīng)的回波信號，與本振微波通過各自波段的合路器混合，通過各波段的混頻后微波電場發(fā)射喇叭同時(shí)照射到堿金屬原子氣室上，多種波段的微波場依次耦合連續(xù)多對相鄰里德堡態(tài)，同時(shí)對多種波段微波進(jìn)行超外差接收；

4、根據(jù)光電探測器得到的信號得到多個(gè)波段的微波信號各自的差頻頻率。

5、進(jìn)一步地，利用飽和吸收鎖頻法產(chǎn)生誤差信號將探測光鎖定在堿金屬原子躍遷線上，多個(gè)通道的微波信號源分別提供與堿金屬原子氣室中里德堡態(tài)之間微波躍遷共振且功率可調(diào)的微波信號，eit鎖頻模塊根據(jù)光電探測器得到的eit透過峰產(chǎn)生誤差信號，將耦合光鎖定在躍遷線上。

6、進(jìn)一步地，所述探測光經(jīng)過兩極半波片、偏振分束器后分為三路，第一路用來搭建飽和吸收鎖頻光路產(chǎn)生誤差信號，反饋控制將探測光頻率鎖定在躍遷上；第二路用來搭建eit鎖頻光路，第三路用來搭建eit-at實(shí)驗(yàn)光路。

7、進(jìn)一步地，所述耦合光經(jīng)過兩極半波片、偏振分束器后分為兩路，第一路用來搭建eit鎖頻光路產(chǎn)生誤差信號，反饋控制將耦合光頻率鎖定在躍遷上，第二路用來搭建eit-at實(shí)驗(yàn)光路。

8、進(jìn)一步地，所述eit鎖頻光路中，探測光被分為兩路偏振相互垂直的光，其中一路與耦合光反向重合經(jīng)過堿金屬原子氣室，另一路與之平行經(jīng)過堿金屬原子氣室，兩束探測光經(jīng)過二向色鏡和反射鏡后分別照射到平衡光電探測器的兩個(gè)輸入端口，進(jìn)行差分放大測量。

9、進(jìn)一步地，堿金屬原子為銣87原子，eit能級為，輸入的本振微波場頻率分別與躍遷、或共振。

10、進(jìn)一步地，所述探測光激光器為外腔半導(dǎo)體二極管激光器，所述耦合光激光器為半導(dǎo)體激光二極管放大倍頻激光器。

11、進(jìn)一步地，所述探測光與耦合光的偏振相互平行，均為v偏振，調(diào)整微波偏振與探測光與耦合光的偏振平行。

12、進(jìn)一步地，調(diào)節(jié)探測光場和耦合光場的入射光強(qiáng)，使其滿足如下條件：耦合光場功率>>探測光場功率。

13、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果：

14、本發(fā)明提供一種基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差微波探測方法。里德堡原子能級豐富，相鄰里德堡態(tài)之間躍遷的能量在微波至太赫茲波段，因此通過利用多個(gè)波段的微波信號分別耦合至不同的里德堡態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)波段微波信號的超外差及高靈敏度探測。

15、本發(fā)明利用里德堡原子的能級豐富特性，以及相鄰里德堡態(tài)之間躍遷的能量在微波至太赫茲波段，通過利用多個(gè)波段的微波信號分別耦合至不同的里德堡態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)波段微波信號的同時(shí)超外差探測，適用于多波段雷達(dá)系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對多波段信號同步接收的需求，可應(yīng)用于微波測量、雷達(dá)信號處理、電子對抗等多個(gè)領(lǐng)域。

16、平衡光電探測器設(shè)計(jì)消除了共模噪聲，提高了信號檢測的信噪比。

技術(shù)特征：

1.一種基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，包括：探測光激光器，耦合光激光器，堿金屬原子氣室，多個(gè)波段的微波信號源，多種波段的微波電場接收喇叭，多種波段的本振微波電場發(fā)射喇叭，多種波段的混頻后微波電場發(fā)射喇叭和多種波段的合路器；

2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，利用飽和吸收鎖頻法產(chǎn)生誤差信號將探測光鎖定在堿金屬原子躍遷線上，多個(gè)通道的微波信號源分別提供與堿金屬原子氣室中里德堡態(tài)之間微波躍遷共振且功率可調(diào)的微波信號，eit鎖頻模塊根據(jù)光電探測器得到的eit透過峰產(chǎn)生誤差信號，將耦合光鎖定在躍遷線上。

3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，所述探測光經(jīng)過兩極半波片、偏振分束器后分為三路，第一路用來搭建飽和吸收鎖頻光路產(chǎn)生誤差信號，反饋控制將探測光頻率鎖定在躍遷上；第二路用來搭建eit鎖頻光路，第三路用來搭建eit-at實(shí)驗(yàn)光路。

4.根據(jù)權(quán)利要求3中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，所述耦合光經(jīng)過兩極半波片、偏振分束器后分為兩路，第一路用來搭建eit鎖頻光路產(chǎn)生誤差信號，反饋控制將耦合光頻率鎖定在躍遷上，第二路用來搭建eit-at實(shí)驗(yàn)光路。

5.根據(jù)權(quán)利要求4中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，所述eit鎖頻光路中，探測光被分為兩路偏振相互垂直的光，其中一路與耦合光反向重合經(jīng)過堿金屬原子氣室，另一路與之平行經(jīng)過堿金屬原子氣室，兩束探測光經(jīng)過二向色鏡和反射鏡后分別照射到平衡光電探測器的兩個(gè)輸入端口，進(jìn)行差分放大測量。

6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，堿金屬原子為銣87原子，eit能級為，輸入的本振微波場頻率分別與躍遷、或共振。

7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，所述探測光激光器為外腔半導(dǎo)體二極管激光器，所述耦合光激光器為半導(dǎo)體激光二極管放大倍頻激光器。

8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，所述探測光與耦合光的偏振相互平行，均為v偏振，調(diào)整微波偏振與探測光與耦合光的偏振平行。

9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，其特征在于，調(diào)節(jié)探測光場和耦合光場的入射光強(qiáng)，使其滿足如下條件：耦合光場功率>>探測光場功率。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種基于里德堡原子的同時(shí)多波段超外差接收機(jī)，涉及微波電場測量技術(shù)領(lǐng)域，探測光激光器提供的探測光和耦合光激光器提供的耦合光對向進(jìn)入所述堿金屬原子氣室；多個(gè)波段的微波信號源均產(chǎn)生兩路信號，一路微波信號通過各波段的的本振微波電場發(fā)射喇叭向空間中發(fā)射，經(jīng)過各波段的的微波電場接收喇叭接收對應(yīng)的回波信號，通過各波段的混頻后微波電場發(fā)射喇叭同時(shí)照射到堿金屬原子氣室上，多種波段的微波場依次耦合連續(xù)多對相鄰里德堡態(tài)，同時(shí)對多種波段微波進(jìn)行超外差接收；可以實(shí)現(xiàn)對多個(gè)波段微波信號的超外差及高靈敏度探測。

技術(shù)研發(fā)人員：張巖松,武帥,馮輝,潘玉浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6