一种全光学的微波电场近场成像装置及方法与流程

1.本技术涉及量子精密测量技术领域，特别是涉及一种全光学的微波电场近场成像装置及方法。


背景技术：

2.集成微波芯片作为现代通信技术和科学仪器的重要组成部分，因此现代通信技和科学仪器性能的提升都离不开对集成微芯片内部电路的开发。其中，为了开发和测试集成微波芯片内部的电路，则需要微波场分布的高分辨率成像技术。因此，长期以来，人们都使用传统的开放式波导探头来检测局部微波场。
3.然而，随着集成电路中电子器件的性能的快速提高和密度的增加，传统的微波场检测方法不仅由于探头金属的特性会对测量的场造成干扰，而且该探头的尺寸不小于四分之一波长，难以实现微波近场的高灵敏度、高分辨率及非侵入式的成像。
4.因此，亟需提供以一种高灵敏度、高分辨率及非侵入式的微波电场成像装置。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种高灵敏度、高分辨率及非侵入式的全光学的微波电场近场成像装置及方法。
6.本发明实施例提供了一种全光学的微波电场近场成像装置，所述装置包括：原子传感气室、微波源、待测微波元件、二维电动平移台、双色镜和ccd相机；其中，所述微波源的输出端与所述待测微波元件的输入端连接，所述待测微波元件固定于所述二维电动移动平台上，所述原子传感气室位于所述待测微波元件的顶部，与原子能级共振的探测光和耦合光反向共线传播，分别从所述原子传感气室的前后两侧送入所述原子传感气室内；探测光束通过所述双色镜与耦合光分束后，其二维吸收成像结果显示在ccd相机上。
7.进一步地，所述原子传感气室与所述光波发射孔相对的一侧还设有一气体注入孔，所述气体注入孔用于向所述原子传感气室内注入原子气体；其中，所述原子气体为碱性金属原子气体。
8.进一步地，所述原子传感气室由两个具有凹槽的石英玻璃板通过环氧树脂粘连得到，或由多块石英玻璃板通过环氧树脂粘连得到。
9.进一步地，所述原子传感气室的厚度范围为1~2mm。
10.本发明的另一实施例提出一种全光学的微波电场近场成像方法，其特征在于，适用于上述的全光学的微波电场近场成像装置，所述方法包括以下步骤：将探测光与耦合光反向打入原子传感气室内，使碱性金属气体原子由基态的原子态激发到里德堡态；由待测微波元件将接收到的微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场，并使里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移；获取探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化，并将二维吸收成像结果显示
在ccd相机上；控制二维电动平移台上所述待测微波元件的位置，获取所述待测微波元件在待测微波电场中不同位置的近场成像。
11.进一步地，将探测光与耦合光反向打入原子传感气室内，使碱性金属气体原子由基态原子态激发到里德堡态，具体包括：将共振的探测光和耦合光，分别从所述原子传感气室的前后两侧送入所述原子传感气室内；其中，所述探测光为大光斑探测光；所述碱性金属气体原子在所述探测光的作用下，由基态原子态激发为中激发态；中间激发态的所述碱性金属气体原子在所述耦合光的作用下激发为第一能级里德堡态，并形成电磁诱导透明窗口。
12.进一步地，由待测微波元件将接收到的微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场，并使里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移，具体包括：待测微波元件获取由微波源所发射的微波信号，并将所述微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场；所述待测微波场在所述电磁诱导窗口的作用下，与第一能级里德堡态的所述碱性金属气体原子跃迁共振，得到第二能级里德堡态的所述碱性金属气体原子，并使第二能级里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移。
13.进一步地，获取探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化，将二维吸收成像结果显示在ccd相机上，具体包括；通过双色镜将经过所述原子传感气室的探测光与耦合光进行分离；获取分离后的探测光中所携带的探测信息；其中，所述探测信息包括探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化；根据所述探测信息得到所述待测微波场的二维吸收成像结果，并将所述二维吸收成像结果显示在ccd相机上。
14.本发明的另一个实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行如上所述的全光学的微波电场近场成像方法。
15.本发明的另一个实施例还提出一种终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如上所述的全光学的微波电场近场成像方法。
16.上述全光学的微波电场近场成像装置，述装置包括：原子传感气室、微波源、待测微波元件、二维电动平移台、双色镜和ccd相机；其中，所述微波源的输出端与所述待测微波元件的输入端连接，所述待测微波元件固定于所述二维电动移动平台上，所述原子传感气室位于所述待测微波元件的顶部，与原子能级共振的探测光和耦合光反向共线传播，分别从所述原子传感气室的前后两侧送入所述原子传感气室内；探测光束通过所述双色镜与耦合光分束后，其二维吸收成像结果显示在ccd相机上。
17.相比现有技术，本发明的微波电场近场成像装置，结合电磁诱导效应和吸收成像技术，实现非接触式非破坏性的微波电场二维成像，以获得原子传感气室的表面微波电场高分辨分布数据；将电学测量转为了光学测量，大大提高了成像的分辨率和灵敏度；利用原
子介质减少电磁辐射对探测的干扰，通过对电磁辐射和干扰的准确定位，发展电磁兼容诊断和测试技术，满足了实际应用需求。
附图说明
18.图1为本发明实施例提供的全光学的微波电场近场成像装置的结构框图；图2为本发明实施例提供的全光学的微波电场近场成像方法的流程示意图；图3为本发明实施例提供的全光学的微波电场近场成像实现过程能级结构示意图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本技术领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明的是，文中的步骤编号，仅为了方便具体实施例的解释，不作为限定步骤执行先后顺序的作用。本实施例提供的方法可以由相关的服务器执行，且下文均以服务器作为执行主体为例进行说明。
21.如图1所示，本发明实施例提供的全光学的微波电场近场成像装置，所述装置包括：原子传感气室1、微波源2、待测微波元件3、二维电动平移台4、双色镜5和ccd相机6。
22.其中，所述微波源的输出端与所述待测微波元件的输入端连接，所述待测微波元件固定于所述二维电动移动平台上，所述原子传感气室位于所述待测微波元件的顶部，与原子能级共振的探测光和耦合光反向共线传播，分别从所述原子传感气室的前后两侧送入所述原子传感气室内；探测光束通过所述双色镜与耦合光分束后，其二维吸收成像结果显示在ccd相机上。
23.进一步地，所述原子传感气室与所述光波发射孔相对的一侧还设有一气体注入孔，所述气体注入孔用于向所述原子传感气室内注入原子气体；其中，所述原子气体为碱性金属原子气体。
24.进一步地，所述原子传感气室由两个具有凹槽的石英玻璃板通过环氧树脂粘连得到，或由多块石英玻璃板通过环氧树脂粘连得到。所述原子传感气室的厚度范围为1~2mm。可以理解的，在其他实施例中，所述原子传感气室可以由一个具有凹槽的石英玻璃以及以平面玻璃通过环氧树脂粘连得到。
25.具体实施时，所述原子传感气室主要起作用的是内部的碱金属气体原子，优选地，同时在所述气室内注入缓冲气体氖气，以减慢碱金属气体原子的扩散，并形成原子传感探头，原子传感探头利用电磁诱导透明效应，将电场强度的变化转换为探测光透射率的变化；微波源产生待测微波电场；待测微波元件放置在原子传感气室下方，连接着微波源，将待测微波电场发送到原子传感气室；通过控制二维电动平移台调节待测微波元件的位置，得到不同位置的近场成像；双色镜用于将探测光与耦合光波分开，方便收集探测光的成像信息；ccd相机用于接收探测光近场成像的图像。
26.上述全光学的微波电场近场成像装置，包括：原子传感气室、微波源、待测微波元
件、二维电动平移台、双色镜和ccd相机；其中，所述微波源的输出端与所述待测微波元件的输入端连接，所述待测微波元件固定于所述二维电动移动平台上，所述原子传感气室位于所述待测微波元件的顶部，与原子能级共振的探测光和耦合光反向共线传播，分别从所述原子传感气室的前后两侧送入所述原子传感气室内；探测光束通过所述双色镜与耦合光分束后，其二维吸收成像结果显示在ccd相机上。相比现有技术，本发明的微波电场近场成像装置，结合电磁诱导效应和吸收成像技术，实现非接触式非破坏性的微波电场二维成像，以获得原子传感气室的表面微波电场高分辨分布数据；将电学测量转为了光学测量，大大提高了成像的分辨率和灵敏度；利用原子介质减少电磁辐射对探测的干扰，通过对电磁辐射和干扰的准确定位，发展电磁兼容诊断和测试技术，满足了实际应用需求。
27.请参阅图2，本发明提供还提供了一种全光学的微波电场近场成像方法，适用于上述的全光学的微波电场近场成像装置，所述方法包括步骤s11至步骤s14：步骤s11，将探测光与耦合光反向打入原子传感气室内，使碱性金属气体原子由基态的原子态激发到里德堡态。
28.步骤s12，由待测微波元件将接收到的微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场，并使里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移。
29.步骤s13，获取探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化，并将二维吸收成像结果显示在ccd相机上。
30.步骤s14，控制二维电动平移台上所述待测微波元件的位置，获取所述待测微波元件在待测微波电场中不同位置的近场成像。
31.请参阅图3，以铷87原子为例，201（5s1/2，f=2，mf=2）为铷原子的基态，202（5p3/2，f=3）为铷原子的中间激发态，203（47s1/2)和204（47p3/2）分别为铷原子的第一能级里德堡态和第二能级里德堡态；205为波长为780nm的探测光，206为波长为480nm的耦合光；207为与里德堡态47s1/2
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47p3/2间跃迁共振，频率是37.5ghz的微波。上述s、p和d表示轨道角动量量子数分别为0、1、2的原子能级。
32.共振的探测光205和耦合光206反向入射到具有二维结构的原子传感气室时，形成电磁诱导透明（透明窗口）。原本经过碱性金属气体原子共振的探测光205的吸收光谱发生了变化，光谱中心出现了透射峰。此时加入σ 近场的微波207，微波207与第一能量级里德堡态203和第二能量级里德堡态204之间的跃迁共振，形成四能级的里德堡eit。在强微波207的作用下，使得里德堡态发生斯塔克位移，探测光205的透射峰也随之发生劈裂。随着待测微波场强度的增加，劈裂峰的高度也随之增加，电场强度的信息转换为光学信息。
33.进一步地，将探测光与耦合光反向打入原子传感气室内，使碱性金属气体原子由基态原子态激发到里德堡态，具体包括：将共振的探测光和耦合光，分别从所述原子传感气室的前后两侧送入所述原子传感气室内，所述探测光和耦合光在所述原子传感气室内重合。所述原子传感气室内的碱性金属气体原子在所述探测光的作用下，由基态原子态激发为中激发态；中间激发态的所述碱性金属气体原子在所述耦合光的作用下激发为第一能级里德堡态，并形成电磁诱导窗口。其中，所述探测光采用波长为780nm大光斑探测光；耦合光的波长为480nm。
34.进一步地，由待测微波元件将接收到的微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场，并使里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移，具体包括：
固定在二维电动平移台表面的待测微波元件连接着微波源，待测微波元件获取由微波源所发射的微波信号，并将所述微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场；所述待测微波场在所述电磁诱导窗口的作用下，与第一能级里德堡态的所述碱性金属气体原子跃迁共振，得到第二能级里德堡态的所述碱性金属气体原子，并使第二能级里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移，大光斑探测光的透射率也随微波场分布变化。
35.进一步地，获取探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化，将二维吸收成像结果显示在ccd相机上，具体包括：通过双色镜将经过所述原子传感气室的探测光与耦合光进行分离；获取分离后的探测光中所携带的探测信息；其中，所述探测信息包括探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化；根据所述探测信息得到所述待测微波场的二维吸收成像结果，并将所述二维吸收成像结果显示在ccd相机上。
36.可以理解的，ccd相机采集的图像实际上是探测光的透射率空间分布信息。由于微波的电场强度与光场的透射率呈线性关系，因此电场强度的测量也随着转为透射光强的测量，通过采集ccd图像可以得到对应微波电场的强度信息。在近场扫描成像时，通过控制的二维电动平移台改变固定在其上面的待测微波元件的位置，从而实现各点位置的实时成像。
37.综上所述，本发明公开的全光学微波电场近场成像，结合电磁诱导透明效应和吸收成像技术，实现非接触式非破坏性的微波电场二维成像，以获得铷泡的表面微波电场高分辨分布数据；将电学测量转为了光学测量，大大提高了成像的分辨率和灵敏度；利用原子介质减少电磁辐射对探测的干扰，通过对电磁辐射和干扰的准确定位，发展电磁兼容诊断和测试技术。
38.以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，如铷原子还可以为铯原子，原子系统可以为集成型天线探头；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
39.应该理解的是，虽然上述流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，上述流程图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
40.本发明实施例所提供的全光学的微波电场近场成像方法，首先将探测光与耦合光反向打入原子传感气室内，使碱性金属气体原子由基态的原子态激发到里德堡态；然后由待测微波元件将接收到的微波信号发射至所述原子传感气室内，形成待测微波场，并使里德堡态的所述碱性金属气体原子发生斯塔克位移；再获取探测光透射率随待测微波场的空间分布的变化，并将二维吸收成像结果显示在ccd相机上；最终控制二维电动平移台上所述待测微波元件的位置，获取所述待测微波元件在待测微波电场中不同位置的近场成像。相
比现有技术，本发明的微波电场近场成像装置，结合电磁诱导效应和吸收成像技术，实现非接触式非破坏性的微波电场二维成像，以获得原子传感气室的表面微波电场高分辨分布数据；将电学测量转为了光学测量，大大提高了成像的分辨率和灵敏度；利用原子介质减少电磁辐射对探测的干扰，通过对电磁辐射和干扰的准确定位，发展电磁兼容诊断和测试技术，满足了实际应用需求。
41.本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序；其中，所述计算机程序在运行时控制所述计算机可读存储介质所在的设备执行如上所述的全光学的微波电场近场成像方法。
42.本发明实施例还提供了一种终端设备，所述终端设备包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时实现如上所述的全光学的微波电场近场成像方法。
43.优选地，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元（如计算机程序1、计算机程序2、
······
），所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述终端设备中的执行过程。
44.所述处理器可以是中央处理单元（central processing unit，cpu），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（digital signal processor，dsp）、专用集成电路（application specific integrated circuit，asic）、现成可编程门阵列（field-programmable gate array，fpga）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理器可以是微处理器，或者所述处理器也可以是任何常规的处理器，所述处理器是所述终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接所述终端设备的各个部分。
45.所述存储器主要包括程序存储区和数据存储区，其中，程序存储区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序等，数据存储区可存储相关数据等。此外，所述存储器可以是高速随机存取存储器，还可以是非易失性存储器，例如插接式硬盘，智能存储卡（smart media card，smc）、安全数字（secure digital，sd）卡和闪存卡（flash card）等，或所述存储器也可以是其他易失性固态存储器件。
46.需要说明的是，上述终端设备可包括，但不仅限于处理器、存储器，本领域技术人员可以理解，还可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件。
47.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。