基于冷里德堡原子电磁感应透明的微波电场测量

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011438922.2(22)申请日 2020.12.10(71)申请人 清远市天之衡传感科技有限公司地址 511500 广东省清远市高新技术产业开发区科技创新园创兴大道18号天安智谷科技产业园产业大厦T0113层04号自编之二(72)发明人 张新定　廖开宇　颜辉　(74)专利代理机构 广州高炬知识产权代理有限公司 44376代理人 高雁(51)Int.Cl.H01Q 1/50(2006.01)H01Q 19/10(2006.01)H01Q 21/00(2006.01)(54)发明名称基于里德堡原子的微波天线及雷达(57)摘要本发明涉及一种基于里德堡原子的微波天线及雷达，原子微波天线根据接收到空间扫描电磁波的反射波输出原始反射信号，信号加工装置对原始反射信号作信号变换处理，获得变换反射信号，并将变换反射信号发送至雷达信号处理装置，以指示雷达信号处理装置根据变换反射信号显示雷达信号。

基于此，通过里徳堡原子的探测灵敏度高、对微波的响应宽带较小、频域宽等特点，为雷达天线赋予提升探测距离、抗干扰能力、频率切换便捷度和小型化优势等优点。

同时，通过信号加工装置的信号变换处理，提高基于里徳堡原子探测的信号精度。

权利要求书2页 说明书6页 附图4页CN 112615155 A 2021.04.06C N 112615155A1.一种基于里德堡原子的微波天线，其特征在于，包括：包括有里德堡原子气室的原子微波天线，用于接收空间扫描电磁波的反射波，并根据反射波输出原始反射信号；信号加工装置，用于对所述原始反射信号作信号变换处理，获得变换反射信号，并将所述变换反射信号发送至雷达信号处理装置，以指示所述雷达信号处理装置根据所述变换反射信号显示雷达信号。

2.根据权利要求1所述的基于里德堡原子的微波天线，其特征在于，所述原子微波天线包括里德堡原子气室、探测激光器、耦合激光器和光电探测器；所述里德堡原子气室内储存有里德堡热原子；所述探测激光器用于发射探测光，所述耦合激光器用于发射耦合光，其中，所述探测光和所述耦合光用于将所述里德堡热原子从基态激发至里德堡态，所述探测光还用于产生拉曼吸收的量子干涉效应；所述光电探测器用于探测试营业拉曼吸收峰的劈裂宽度，求出待测电场强度，以获得所述原始反射信号。

doi：10.11823/j.issn.1674-5795.2021.01.01里德堡原子微波电场测量白金海，胡栋，贡昊，王宇（航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095）摘要：里德堡原子是处于高激发态的原子，其主量子数大、寿命高，具有极化率高、电偶极矩大等特点，对外电场十分敏感。

基于热蒸气室中里德堡原子的量子干涉原理（电磁感应透明和Autler-Towns分裂效应）的微波电场精密测量不仅具有远高于传统偶极天线的灵敏度，且具有自校准、对外电场干扰少、测量频率范围大等优点，是下一代电场测量标准。

本文综述了里德堡原子的微波电场测量研究，详细介绍了其基本原理和当前研究进展，并讨论了未来发展方向。

关键词：量子精密测量；里德堡原子；微波电场；电磁感应透明中图分类号：TB97文献标识码：A文章编号：1674-5795（2021）01-0001-09Rydberg Atoms Based Microwave Electric Field SensingBAIJinhai,HU Dong,GONG Hao$WANG Yu(Changcheng Institute of Metrology&Measurement,Beijing100095,China)Abstract:Rydberg atoms are the atoms in highly excited states with lar-e principaO quantum numbers n,and long lifetimes.The lar-e Ryd-ber-atom polarizabilitu and strong dipole transitions between enereetically nearby states are highly sensitive to electris fielOs.The new developed scheme for microwave electric field precision measurement is based on quantum interference effects(electromaaneticclly induced transparency and Autler-Townes splitting)in Rydbere atoms contained in a dielectric vapoe cell.The mininium measured strengths of microwave electric fieies of the new scheme are far below the standard values obtained by traditional antenna methods.And it has several advantages,such as self-calibra­tion,non-perturbation to the measured field,a broadband measurement frequency range,etc,is the next-generation electric field standard.In this review,we describe work on the new method for measuring microwave electric field based on Rydberg atoms.We introducc the basic theory and experimental techniques of the new method,and discuss the future development direction.Key words:quantum precision measurement；Rydberg atoms；microwave electric fielO；electromagnetically induced transparency0引言原子是一种典型的量子体系，具有可复现、性能稳定、能级精确等优点。

宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and Measurement2021年2月第41卷第1期Feb. ,2021Vol. 41, No. 1文章编号.1000-7202(2021)01 -0048-05 DOI ： 10.12060/j. issn. 1000-7202.2021.01.09用于里德堡原子高精度微波电场测量的小型化激光系统设计与实现成永杰1靳冈！r 刘星汛1齐万泉1何 军(1.北京无线电计量测试研究所，北京100039；2,山西大学光电研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西太原030006；3,山西大学，教育部山西省省部共建极端光学协同创新中心，山西太原030006)摘要基于里德堡原子量子相干效应的微波电场测量灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小，有望成为新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波电场基准。

本文介绍了一种可用于铠原子里德堡态激发的小型化绿光 激光系统。

该激光系统采用Littorw 型光栅外腔反馈结构，实现了输出功率大于80mW 的单频509nm 绿光激光。

利用该激光系统结合常规852nm 激光实现了铠原子50D 和50S 里德堡态电磁感应透明(EIT)光谱。

该激光系统的实 现，为微型化、可扩展的绿光激光系统提供一种可行性方案，有利于实用化原子介质电场精密测量设备的实现。

关键词计量学里德堡原子微波电场激光系统中图分类号:IB973 文献标识码:ARealization of Laser System for Precision Measurement ofMicrowave Electric Field Using Rydberg AtomsCHENG Yong-jie 1 JIN Gang 1 LIU Xing-xun 1 QI Wan-quan 1 HE Jun 2'3(1. Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement ,Beijing 100039,China ；2. State Key Laboratory of QuantumOptics and Quantum Optics Devices ,Institute of Opto-Electronics ,Taiyuan 030006, China ；3. Collaborative Innovation Center of Extreme Optics of the Ministry of Education and Shanxi Province , Shanxi University ,Taiyuan 030006, China)Abstract The new microwave electric field quantum measurement method based on Rydberg atoms has theadvantages of high sensitivity , large dynamic range and small measurement uncertainty. It is expected to form a new generation of microwave electric field standard that can lead to a direct Si-traceable approach for microwave electric fieldmetrology. A miniature green laser system for precision measurement of microwave electric field based on Rydberg atoms isproposed. The single-frequency 509nm green laser system was mounted in the littrow configuration with 80mW output power. We investigated the electromagnetic induced transparency ( EIT ) spectroscopy of 50D and 50S for microwave electric field precision measurement through the application of homemade laser system. The realization of the laser system provides a feasible scheme for the miniaturized and expandable green laser system , which is beneficial to the realization of the practical precise measuring equipment o£ electric field based on atomic dielectric.Key words Metrology Rydberg atoms Microwave electric field Laser system收稿日期：2O2O-O8-O1，修回日期：2021-01-25作者简介:成永杰(1985.07-)，男，高级工程师，硕士，主要研究方向:场强与干扰技术。

基于里德堡原子EIT-AT效应的微波电场测量本文提出一种新的方法来测量微波电场,这种测量手段能够将拓展测量频带,将测量溯源至基本的物理常数,方便携带并能够实现电场传感器的自我校准。

这种方法是基于处于激发态的里德堡原子与射频场的相互作用,由于EIT-AT效应微波场引起了里德堡态的能级分裂,我们通过分析探测到的分裂来分析微波电场。

实际上,置于蒸气室中的碱金属原子作为一种将微波电场强度测量转换为光频测量的传感器,将微波电场的强度测量转换为光频的测量。

我们展示了用一个小的原子蒸气室能够测量不同波段不同频率的微波电场,选取碱金属原子(本文中使用铷和铯)作为探测介质,用微波场耦合不同的里德堡态来证明这种方法的宽频特性。

我们测量了Autler-Townes分裂宽度与微波功率的关系,同时测量了微波电场在原子蒸气池中的分布。

利用时域有限积分电磁计算方法对微波电场空间分布进行了数值模拟进而验证方法的正确性。

本文的主要内容包括以下几个方面:一、介绍了里德堡原子以及EIT-AT效应的概念、特点以及研究进展。

对比传统的微波电场测量存在的缺点和不足,阐述了基于里德堡原子的EIT-AT效应探测微波电场的优越性以及潜在的应用价值。

二、详细介绍了基于里德堡原子的EIT-AT效应探测微波电场的基本原理,简要说明原子跃迁偶极矩的计算。

三、介绍了本实验的实验装置,并选取铯和铷的里德堡原子,对毫米波和厘米波的微波场分别进行了测量,测量出EIT-AT分裂间隔和微波源输出功率的关系,并将微波电场强度的实验值与标定值对比,描绘出微波场在原子蒸气池中的分布,分析了新的方法探测微波电场存在的不确定度。

本文的创新之处包括:1.本文基于里德堡原子的EIT-AT效应分别进行了厘米波和毫米波电场测量。

与传统的微波测量方法进行了比对,测量结果的不确定度在5%以下。

2.实现了微波电场空间特征分布的高分辨率成像,空间分辨率可以达到100微米。

3.与传统的微波测量技术相比,新的测量方法有自校准、便携等特点,并且打破了传统传感器的材料和尺寸等因素对测量精度和范围造成的限制,有望成为微波场测量的革新方法。

外场调控的里德堡原子电磁感应透明及量子关联特性里德堡原子具有尺寸大、寿命长、极化率大的特点,以及原子间强相互作用可产生激发阻塞效应,这些特点使其成为目前原子分子领域的研究热点。

里德堡原子的电磁感应透明（EIT）效应不仅具有普通EIT的特性,还携带了里德堡原子本身的奇异特点,这使得里德堡原子EIT在非线性光学、量子信息处理、量子纠缠和量子逻辑门以及单光子源的制备和精密测量等方面具有很广泛的应用前景。

里德堡原子电磁感应透明提供了一种全光学的无损探测里德堡原子的新技术,与传统的离子探测方法相比,不会对原子产生破坏,同时提供了一种测量原子间相互作用的新方法。

本文以铯原子作为研究对象,在热原子系统中研究了射频电场缀饰的里德堡原子电磁感应透明光谱,利用里德堡原子EIT效应实现了510nm激光频率的锁定;搭建了铯冷原子磁光阱系统,利用里德堡原子的EIT效应测量获得二阶关联函数,研究了里德堡原子间的强相互作用以及里德堡原子间的量子关联特性。

主要研究内容如下:1.在热原子蒸气池中,对外场调控的里德堡原子电磁感应透明光谱作了详细的研究。

实验中测量了各向同性的S态以及各向异性的D态里德堡原子的射频调制光谱,根据射频EIT谱线特征实现了射频电场强度的自校准,并且利用D态原子各向异性的特点,实现了射频电场极化方向的测量。

通过非微扰的Floquet理论对实验结果进行了模拟,理论和实验符合的非常好。

2.介绍了冷原子磁光阱系统的搭建,并对关键的实验技术做了详细描述;利用里德堡原子的电磁感应透明效应实现了510nm耦合光频率的锁定,提供了一种将激光频率锁定在激发态跃迁的方法。

3.研究了冷里德堡原子的电磁感应透明光谱。

实验中通过改变探测光、耦合光、以及不同的主量子数n,研究了里德堡原子之间的相互作用对里德堡原子电磁感应透明的影响;建立了里德堡EIT的理论模型,引入了里德堡原子相互作用导致的衰减项γ₃=κ×(ρ₃₃/Ω_p)²,理论拟合和实验测量符合的非常好。

基于里德堡原子的微波电场测量技术你知道吗？在微观世界里有个超级厉害的“小侦探”，它就是里德堡原子，专门用来测量微波电场，那本事可真是绝了。

里德堡原子就像是一个超级敏感的“小天线宝宝”。

普通的天线接收信号就已经很厉害了，可这个里德堡原子啊，就像有特异功能一样。

它对于微波电场的感知，就好比是狗狗闻到肉骨头的香味，那是老远就能察觉到。

微波电场就像一个神秘的小幽灵，在空间里飘来飘去，可里德堡原子却能准确地把它给揪出来，就像孙悟空的火眼金睛识别妖怪一样轻松。

这个测量技术啊，就像是一场微观世界的捉迷藏游戏。

微波电场这个调皮的家伙想要躲起来，但是里德堡原子可不会轻易放过它。

里德堡原子像是一个身手敏捷的小忍者，悄无声息地靠近微波电场这个目标，然后一下子就把它的情况摸得一清二楚。

要是把微波电场比作是一个躲在暗处的小偷，里德堡原子就是最厉害的警察。

不管这个小偷藏得多隐蔽，里德堡原子总能凭借它独特的“探测技能”把小偷给抓住。

而且这个过程还特别精确，就像用最精密的尺子去量东西，误差小得可怜，就像从大海里捞出一粒特定的沙子那么难做到的精度，它都能达到。

里德堡原子在测量微波电场的时候，还像一个超级小的放大镜。

微波电场那些微小的特征和变化，在里德堡原子面前就像被放大了无数倍一样。

就好像把蚂蚁变成大象那么明显，让科学家们可以清楚地看到微波电场的各种小秘密。

你可能觉得这很不可思议，但里德堡原子就是这么神奇。

它就像是从微观世界里派来的小使者，专门来给我们揭示微波电场的真相。

这个技术在科学研究里就像一把万能钥匙，打开了一扇又一扇关于微波电场的知识大门。

这小小的里德堡原子在微波电场测量领域就像是一颗超级耀眼的星星。

其他的测量方法在它面前都显得有点黯淡无光，就像萤火虫站在探照灯旁边一样。

里德堡原子用它独特的方式在微观世界里大显身手，让我们对微波电场的认识不断地加深，就像挖矿挖到了宝藏一样，每一次测量都可能发现新的惊喜呢。

它还像是一个微观世界里的魔法师，轻轻一挥魔法棒（这里魔法棒就像是它独特的原子结构和性质），就能把微波电场的奥秘展现出来。

专利名称：基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统及方法
专利类型：发明专利
发明人：林沂,付云起,刘燚,郭敏,吴逢川,武博
申请号：CN202010494344.8
申请日：20200603
公开号：CN111637833A
公开日：
20200908
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种基于里德堡原子电磁感应透明效应的角度测量系统。

技术方案是：系统包括两个不同波长的激光器、两个相同的原子蒸汽泡、两个相同的光电探测器。

第一个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自经过一个原子蒸汽泡后被反射至一个光电探测器；第二个激光器发出的激光被分成两束相同的子激光束，两束子激光束各自经过一个原子蒸汽泡。

两个原子蒸汽泡的位置呈镜像对称，对称轴垂直于两个原子蒸汽泡的中心的连线，并且经过上述连线的中点。

本发明具有尺寸紧凑、测量精度高、测量灵敏度高的特点。

申请人：中国人民解放军国防科技大学
地址：410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
国籍：CN
代理机构：国防科技大学专利服务中心
代理人：王文惠
更多信息请下载全文后查看。

基于里德堡原子的微波全信息测量
贾凤东;郝建海;崔越;王宇翔;刘宇晴;王宇;尤建琦;白金海;钟志萍
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2024(44)1
【摘要】介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理,阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点,分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状,探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难,指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量;并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。

分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势,提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。

【总页数】22页(P1-22)
【作者】贾凤东;郝建海;崔越;王宇翔;刘宇晴;王宇;尤建琦;白金海;钟志萍
【作者单位】中国科学院大学物理科学学院;航空工业北京长城计量测试技术研究所;中国科学院大学中国科学院拓扑量子计算卓越中心
【正文语种】中文
【中图分类】TB939;TP212;O56
【相关文献】
1.基于冷里德堡原子电磁感应透明的微波电场测量
2.全红外光激发里德堡原子微波电场测量
3.基于里德堡原子的微波相移测量
4.基于铷里德堡原子的频率可调谐微波电场测量
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于里德堡原子量子效应的微波电场空间高分辨率测量我们以前测量微波电场的方法是使用带阻抗的负载偶极天线和二极管探测器。

这种传统探测器是由二极管横向放置在偶级天线上,当它放置在一个电场中,二极管整流的电磁场和直流电压被记录,直流电压的增大或减小随电磁场的增大或减小变化。

但是这种传统的方法有自己的局限性,首先探测器的敏感度取决于它的尺寸大小而且需要被校准;其次金属做的探测器会扰乱电场测量;最后探测器的灵敏度是有限的。

由于这些缺点我们寻求到一种新的方法来测量微波电场,就是基于宽波段的里德堡原子电场测量。

用铯蒸汽池中被激发的里德堡原子制作溯源微波电场的传感器。

具体的就是用天线将微波电场转换为电磁场,然后光学测量电磁场,以获得微波电场的溯源标准。

由于激发态的里德堡原子与射频场的相互作用,而且EIT-AT效应在微波场的作用下引起了里德堡态的能级分裂,所以我们通过分析探测到的分裂来分析微波电场。

实际上,处于铯蒸汽池里的原子的作用是把微波电场的测量转换为光频的测量。

所以我们的实验是测量铯原子的电磁感应透明(EIT)光谱在微波电场作用下的Autler-Townes分裂宽度,从而得到了高分辨率的微波电场强度空间分布。

我们还分别对正方体和圆柱体两种不同几何形状的原子蒸汽池内微波电场强度的一维分布及二维分布进行了测量,在实验的角度上研究了铯蒸汽池的几何形状对微波电场测量影响。

微波电场在蒸汽池内的干涉效应被认为是造成电场分布不均匀的主要原因。

以上的这些实验对于研究里德堡原子量子效应的微波电场强度具有非常重要的意义。

本文的主要内容:一,简要的介绍了里德堡原子的性质以及EIT-AT效应的概念、特点以及研究状况。

由于传统的微波电场测量技术存在明显的缺点,从而研究出了新的微波电场测量方法即宽波段的里德堡原子电场测量。

二,研究了基于里德堡原子的EIT-AT效应探测微波电场的基本原理,详细介绍了实验装置以及实验过程中遇到的技术。

三,选取铯里德堡原子,对毫米波的微波场进行了测量,得到了高分辨率的电场强度空间分布特征。

基于里德堡原子的电场测量∗黄巍;梁振涛;杜炎雄;颜辉;朱诗亮【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2015(0)16【摘要】Atom in Rydberg state has large polarizability, large electric dipole and low ionization threshold field. It is very sensitive to electric field, therefore it can be used to measure the amplitude of electric field, especially the microwave electric field. The new developed scheme is based on quantum interference effects (electromagnetically induced trans-parency and Autler-Townes splitting) in Rydberg atoms. Instead of the direct amplitude measurement, this method tests the Rabi frequency value of the transmission spectrum which is determined by the microwave electric field strength and the corresponding atom nature. The minimum measured strengths of microwave electric fields are far below the standard values obtained by traditional antenna methods. Compared with the traditional methods, this new scheme has several advantages, such as self-calibration, non-perturbation to the measured field and independence of the probe length. Besides, this scheme can also be used to measure the polarization direction of microwave electric field and realize sub-wavelength imaging. Through adjusting the wavelength of coupling laser, a broadband 1–500 GHz microwave electric field measurement can be achieved. This new scheme is benefitial to conducting the continue electricfield measurement and the miniaturization of the test equipment. In this paper, the researches about using Rydberg atom to measure electric field with high precision are reviewed. The basic theory and experimental techniques are introduced. Finally, we discuss a promising method of using Rydberg atom interferometer to detect the accumulated phase in the process of interaction between electric field and Rydberg atoms. This method converts amplitude measurement into phase test, which may improve the precision and sensitivity.%里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和大的电偶极矩，对外部电磁场十分敏感，可以用来测量电场强度特别是微波电场的强度。

里德堡原子雷达接收灵敏度极限
夏凌昊;肖俊祥;董屾;金翔;赵盛至
【期刊名称】《微波学报》
【年(卷),期】2024(40)2
【摘要】里德堡原子在微波场的存在下呈现出电磁诱导透明效应,因而可用于微弱电场的探测。

近年来,基于里德堡原子微波探测技术的新型雷达接收机架构引起了业内广泛关注。

文中分析了里德堡原子雷达接收机的外部和内部噪声源,探究了里德堡原子接收机的灵敏度,指出在雷达侦收场景下,当前可制备的里德堡原子接收机灵敏度不及传统电子技术接收机,并针对里德堡原子雷达接收机的实用化提出了技术改进方案。

【总页数】7页(P1-7)
【作者】夏凌昊;肖俊祥;董屾;金翔;赵盛至
【作者单位】南京电子技术研究所;雷达探测感知全国重点实验室;江苏省探测感知技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN850.1
【相关文献】
1.里德堡原子超外差接收链路中的内禀增益系数研究
2.基于冷里德堡原子电磁感应透明和Autler-Townes分裂的原子矢量微波电场计
3.基于铷里德堡原子的频率可
调谐微波电场测量4.基于里德堡原子的微波全信息测量5.基于里德伯原子Stark 效应射频电场测量灵敏度研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于里德堡原子的无线电技术研究进展
贺青;李栋;谷立;罗思源;贺寓东;李彪;王强
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2024(36)7
【摘要】近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。

里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十分适合于无线电传感与探测。

自2012年Shaffer等突破性地利用里德堡原子的电磁诱导透明效应测量微波电场强度的灵敏度及不确定度均远高于传统微波测量结果之后,近十年来,以里德堡原子超外差测量等新理论和新技术为代表的研究已
经实现了对电磁波的频率、极化、相位、强度等多参数的测量,相关工程化的技术
也蓬勃发展,有望对传统的无线电技术产生颠覆性的影响。

对基于里德堡原子的无
线电技术近十年来的研究进展进行综述,从探测原理出发,梳理本领域的发展脉络,并对其未来发展趋势进行展望。

【总页数】19页(P127-145)
【作者】贺青;李栋;谷立;罗思源;贺寓东;李彪;王强
【作者单位】中国工程物理研究院电子工程研究所;中国工程物理研究院微系统与
太赫兹研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】O43;TN99
【相关文献】
1.基于里德堡原子的无线电技术
2.基于里德堡原子相干效应的微波电场测量技术研究进展
3.基于里德堡原子的电场传感技术
4.基于里德堡原子的无线电光学测量及其光谱处理技术(特邀)
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。