基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置及测量方法

1.本发明涉及高灵敏调幅波接收的技术，尤其涉及一种基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置及测量方法。


背景技术：

2.无线通讯作为当今世界主要的通讯技术手段，其在航空航天、国防建设以及日常生活等领域具有重要的意义。传统的调幅通讯是将待传输基带信号通过调幅方式加载到高频载波中进行传输，然后在接收端通过解调的方式将传输的信号提取出来，但是其容易受外界的干扰，且不同频率的载波需要换用不同的接收天线。新兴的基于里德堡原子共振eit-at光谱的测量方法，其虽有很高得灵敏度，但只能测量与两个里德堡能级共振频率的电场，载波带宽非常窄，不能实现任意载波频率的高灵敏接收。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中基于里德堡原子共振eit-at光谱的测量方法存在的缺点和不足，本发明提供一种基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置及测量方法。
4.本发明利用里德堡原子的ac stark效应，通过增益电场极大的提高里德堡原子对载波电场的接收灵敏度。并且与传统的调幅接收机或基于eit-at谱的调幅接收机测量幅度变化不同，本发明将调幅通讯中对信号幅度变化的测量转换为对频率的测量，可以避免外界对载波幅值信号的干扰导致读出信号的失真。所述测量方法直接基于原子参数进行测量，具有非常极高的测量精度和抗干扰性，并且由于任何频率的载波电场都会导致里德堡能级的ac stark效应，因此所述方法可实现任意频率载波的接收。
5.为实现本发明目的，本发明基于里德堡原子的调幅波接收装置，设计了一种基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置，基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置，包括有探测光发射单元、耦合光发射单元，所述探测光发射单元、耦合光发射单元分别发射出具有相同偏振方向的探测光、耦合光，在所述探测光传输线路上依次设置有铯原子样品池、光电探测器，所述耦合光从所述铯原子样品池的另一端射入进去，并与所述探测光形成反向共线传播，待传输的基带信号通过微波载波场入射到铯原子样品池中，所述探测光、耦合光的频率满足铯nd
5/2
里德堡态原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件所需的频率，所述探测光的频率锁定在铯原子的基态6s
1/2
（f=4）到激发态6p
3/2
（f'=5）的共振跃迁线上，并在第一激发态6p
3/2
到里德堡能级nd
5/2
共振跃迁线的附近扫描耦合光的频率时，所述光电探测器即可探测到探测光无多普勒背景的电磁感应透明光谱，所述待传输基带信号通过数字转换器转化为不同频率的数字信号并以相应频率的调幅方式加载到微波载波场中，一起入射到铯原子样品池中，所述铯原子样品池位于增益电场中，所述探测光无多普勒背景的电磁感应透明光谱在增益电场作用下会发生ac stark频移和分裂，所述耦合光的频率锁定在铯原子的第一激发态6p
3/2
（f'=5）到里德堡能级nd
5/2
，磁量子数mj=1/2，探测光和耦合光的频率都锁定后，所述光电探测器将探测到与数字信号频率相同频率的探测光无多
普勒背景的电磁感应透明光谱，并将其电磁感应透明光谱接入到频谱分析仪提取出对应的频率信号，再经过pc端的分析系统将提取的频率信号转换为对应的数字信号，即可实现基带信号读出。
6.作为上述技术方案进一步优化，所述探测发射单元17包括有第一激光发射器，在所述第一激光发射器发射出探测光的传输线路上依次设置有852nm的高反镜、852nm的二分之波片、852nm的偏振分光棱镜，所述探测光的波长为852nm的激光；所述耦合光发射单元包括有第二激光发射器，在所述第二激光发射器发射出耦合光的传输线路上依次设置有双色镜、510nm的二分之波片、510nm的偏振分光棱镜，所述耦合光的波长为510nm的激光；所述探测光从铯原子样品池射出依次经过510nm的偏振分光棱镜、510nm的二分之波片、双色镜，并由所述光电探测器探测。
7.作为上述技术方案进一步优化，所述双色镜由510nm的高反镜和852nm高透镜组成。
8.作为上述技术方案进一步优化，所述铯原子样品池为装有铯原子蒸气的玻璃铯泡。
9.一种采用上述技术方案所保护的装置实现任意载波频率高灵敏接收的测量方法，其方法包括如下步骤：s1.所述第一激光发射器发出波长为852nm的激光作为探测光，探测光经过852nm的高反镜、852nm的二分之波片和852nm的偏振分光棱镜从铯原子样品池的一端入射到铯原子样品池中，透过铯原子样品池的探测光通过510nm的偏振分光棱镜、510nm的二分之波片和由852nm高透镜与510nm高反镜的双色镜入射到光电探测器上进行探测；s2.第二激光发射器发出波长510nm的激光作为耦合光，所述耦合光经过由852nm高透镜和510nm高反镜组成的双色镜、510nm的二分之波片和510nm的偏振分光棱镜从铯原子样品池的另一端入射进铯原子样品池中，与探测光在铯原子样品池中反向共线传播；s3.在上述s1和s2中，所述探测光、耦合光频率应满足铯nd
5/2
里德堡态原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件，所述探测光的频率锁定在铯原子的基态6s
1/2
（f=4）到激发态6p
3/2
（f'=5）的共振跃迁线上，所述探测光无多普勒背景的电磁感应透明光谱在增电益场11作用下会发生ac stark频移和分裂，使得nd
5/2
里德堡态电磁感应透明光谱产生频移并分裂为磁量子数mj=1/2、3/2、5/2的谱线，且磁量子数mj=1/2的谱线由于具有较大的极化率而分裂的最远，通过对其电磁感应透明光谱进行分析，所述耦合光的频率锁定到第一激发态6p
3/2
（f'=5）到里德堡能级nd
5/2
，mj=1/2的能级斜率最大的共振跃迁线上，此时探测光和耦合光的频率都锁定；s4.在s3的基础上，将待测基带信号经过数字转换器转换为数字信号，每一个数字信号设置一个频率，然后将这些数字信号通过不同频率的调幅方式加载到微波载波场中，当载波信号入射到铯原子样品池时，由于载波的幅度被调制，在探测器10中观测到的光信号会呈现出相同频率的幅度调制，将探测器10的输出信号接入频谱分析仪提取出对应的频率信号，再经过pc端的分析系统将提取的频率信号转换为对应的数字信号，即可实现基带信号读出。
10.作为上述技术方案进一步优化，上述测量中，所述微波载波场中载波的频率为任意连续频率。
11.本发明的有益效果是：1.本发明利用增益电场将里德堡能级频移到极化率最大的地方，极大的提高了里德堡原子对外电场的接收灵敏度，由于任意频率的电场都会产生里德堡能级的ac stark效应，因此本发明基于ac stark效应进行接收的方法可以实现任意频率载波的接收。2.本发明将调幅通讯中对信号幅度变化的测量转换为对频率的测量，可以避免外界对传输信号幅值的干扰导致信号失真的问题。3.本发明克服了现有技术中易受外界干扰和不能实现任意频率载波接收的缺点。4.本发明装置相对比较简单，采用小型化的原子蒸气池作为接收器，对待测电场没有干扰，易于实现微型化，适于集成化和广泛推广。
附图说明
12.图1是本发明实施例中实现调幅波接收装置的结构示意图；图2为实现本发明实施例中无增益电场时里德堡原子三能级系统电磁感应透明的双光子共振激发示意图；图3为本发明实施例中有无增益电场时扫描510nm耦合光的频率得到的无多普勒背景的电磁感应透明光谱图；图4为本发明实施例中四个基带信号通过本发明的装置形成的传输信号与接收信号对比图。
13.其中：铯原子样品池为1、第一激光发射器为2、852nm的高反镜为3、852nm的二分之波片为4、852nm的偏振分光棱镜为5、第二激光发射器为6、双色镜为7、510nm的二分之波片为8、510nm的偏振分光棱镜为9、光电探测器为10、增益电场为11、基带信号为12、数字转换器为13、微波载波场为14、频谱分析仪为15、pc端的分析系统为16、探测发射单元为17、耦合光发射单元为18。
14.其中图1中，探测光为a、耦合光为b。
15.其中图2中：λc为耦合光的波长，λp为探测光的波长，在增益电场作用下，由于60d
5/2 中不同磁量子数mj=1/2,3/2和5/2能级的极化率不同，因此60d
5/2
里德堡如图所示的能的频移和分裂，从图中可知mj=1/2能级的极化率最大，即对载波电场最敏感，因此将510nm耦合光的频率锁定到nd
5/2
，mj=1/2能级极化率很大处（斜率大），如图中星号所示。
16.在图3中，虚线为本发明所述的无增益电场时，扫描510nm耦合光的频率得到的无多普勒背景的电磁感应透明光谱。实线为在增益电场作用下，扫描510nm耦合光的频率得到的无多普勒背景的电磁感应透明光谱发生频移，并分裂成不同磁量子数mj=1/2，3/2和5/2三个能级的谱线。
17.在图4中，所示（a）为将四个数字信号经过数字转换器转换为四个频率不同的信号，由于载波的幅度被相应的频率调制；由于载波的幅度被调制，（b）所示为光电探测器中观测到的光信号，光信号呈现出相同频率的幅度调制。将图中光电探测器的输出信号接入频谱分析仪提取出对应的频率信号，再经过pc端分析系统将提取的频率信号转换为对应的数字信号，即可实现基带信号读出。
具体实施方式
18.为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
19.参阅图1至4，基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置，包括有探测光发射
单元17、耦合光发射单元18，所述探测光发射单元17、耦合光发射单元18分别发射出具有相同偏振方向的探测光a、耦合光b，在所述探测光a传输线路上依次设置有铯原子样品池1、光电探测器10，所述铯原子样品池1为装有铯原子蒸气的玻璃铯泡，所述耦合光b从所述铯原子样品池1的另一端射入进去，并与所述探测光a形成反向共线传播，待传输的基带信号12通过微波载波场14入射到铯原子样品池1中，所述探测光a、耦合光b的频率满足铯nd
5/2
里德堡态原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件所需的频率，所述探测光a的频率锁定在铯原子的基态6s
1/2
（f=4）到激发态6p
3/2
（f'=5）的共振跃迁线上，并在第一激发态6p
3/2
到里德堡能级nd
5/2
共振跃迁线的附近扫描耦合光b的频率时，所述光电探测器10即可探测到探测光a无多普勒背景的电磁感应透明光谱，所述待传输基带信号12通过数字转换器13转化为不同频率的数字信号并以相应频率的调幅方式加载到微波载波场14中，一起入射到铯原子样品池1中，所述铯原子样品池1位于增益电场11中，所述探测光a无多普勒背景的电磁感应透明光谱在增益电场11作用下会发生ac stark频移和分裂，所述耦合光b的频率锁定在铯原子的第一激发态6p
3/2
（f'=5）到里德堡能级nd
5/2
，磁量子数mj=1/2，探测光a和耦合光b的频率都锁定后，所述光电探测器10将探测到与数字信号频率相同频率的探测光a无多普勒背景的电磁感应透明光谱，并将其电磁感应透明光谱接入到频谱分析仪15提取出对应的频率信号，再经过pc端的分析系统16将提取的频率信号转换为对应的数字信号，即可实现基带信号读出。
20.进一步，所述探测发射单元17包括有第一激光发射器2，在所述第一激光发射器2发射出探测光a的传输线路上依次设置有852nm的高反镜3、852nm的二分之波片4、852nm的偏振分光棱镜5，所述探测光a的波长为852nm的激光；所述耦合光发射单元18包括有第二激光发射器6，在所述第二激光发射器6发射出耦合光b的传输线路上依次设置有双色镜7、510nm的二分之波片8、510nm的偏振分光棱镜9，所述耦合光b的波长为510nm的激光，所述探测光a从铯原子样品池1射出依次经过510nm的偏振分光棱镜9、510nm的二分之波片8、双色镜7，并由所述光电探测器10探测，所述双色镜7由510nm的高反镜和852nm高透镜组成。
21.一种采用上述技术方案所保护的装置实现任意载波频率高灵敏接收的测量方法，其方法包括如下步骤：s1.所述第一激光发射器2发出波长为852nm的激光作为探测光a，探测光a经过852nm的高反镜3、852nm的二分之波片4和852nm的偏振分光棱镜5从铯原子样品池1的一端入射到铯原子样品池1中，透过铯原子样品池1的探测光a通过510nm的偏振分光棱镜9、510nm的二分之波片8和由852nm高透镜与510nm高反镜组成的双色镜7入射到光电探测器10上进行探测；s2.第二激光发射器6发出波长510nm的激光作为耦合光b，所述耦合光b经过由852nm高透镜和510nm高反镜组成的双色镜7、510nm的二分之波片8和510nm的偏振分光棱镜9从铯原子样品池1的另一端入射进铯原子样品池1中，与探测光a在铯原子样品池1中反向共线传播；s3.在上述s1和s2中，所述探测光a、耦合光b频率应满足铯nd
5/2
里德堡态原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明条件（参阅图2和3），所述探测光a的频率锁定在铯原子的基态6s
1/2
（f=4）到激发态6p
3/2
（f'=5）的共振跃迁线上，所述探测光a无多普勒背景的电磁感应透明光谱在增电益场11作用下会发生ac stark频移和分裂，使得nd
5/2
里德堡态电磁感应透
明光谱产生频移并分裂为磁量子数mj=1/2、3/2、5/2的谱线，且磁量子数mj=1/2的谱线由于具有较大的极化率而分裂的最远，通过对其电磁感应透明光谱进行分析，所述耦合光b的频率锁定到第一激发态6p
3/2
（f'=5）到里德堡能级nd
5/2
，mj=1/2的能级斜率最大的共振跃迁线上，此时探测光a和耦合光b的频率锁定；s4.在s3的基础上，将待测基带信号12经过数字转换器13转换为数字信号，每一个数字信号设置一个频率，然后将这些数字信号通过不同频率的调幅方式加载到微波载波场14中，当载波信号入射到铯原子样品池1时，由于载波的幅度被调制，在探测器10中观测到的光信号会呈现出相同频率的幅度调制，将探测器10的输出信号接入频谱分析仪15提取出对应的频率信号，再经过pc端的分析系统16将提取的频率信号转换为对应的数字信号，即可实现基带信号读出（参阅图4）。
22.在上述测量方法中，所述微波载波场14中载波的频率为任意连续频率。
23.以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
24.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。