本發(fā)明屬于微波測量，涉及一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)。

背景技術：

1、里德堡原子是利用激光操控核外一個電子泵浦到高激發(fā)態(tài)的原子，一般通過雙光子過程將原子泵浦到主量子數(shù)n大于20的能級上，此時殼層電子距離原子核較遠，所以原子核與該電子形成較大的電偶極矩，因此里德堡原子對頻率匹配的微波電場具有極高靈敏度。通過控制里德堡原子主量子數(shù)的變化，可以實現(xiàn)微波測量頻率范圍從khz到thz。相對于傳統(tǒng)微波接收系統(tǒng)，里德堡原子與微波信號耦合過程中，不受到微波波長限制，因此里德堡原子在微波測量領域具有巨大應用潛力。

2、利用里德堡原子對微波信號高靈敏感知的能力，可以對微波信號實現(xiàn)測量，并且可以實現(xiàn)對微波攜帶的信息解調(diào)獲取，但是目前所有數(shù)據(jù)讀出方案利用探測器直接對光信號直接探測，由于電學探測系統(tǒng)將信號和噪聲同時放大，使得數(shù)據(jù)讀出系統(tǒng)靈敏度不高，且無法將光信號中的相位信息讀出。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)。

2、本發(fā)明解決技術的方案是：

3、一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，包括：分束棱鏡i、分束棱鏡ii、合束棱鏡i、合束棱鏡ii、合束棱鏡iii、聲光調(diào)制器i、聲光調(diào)制器ii、單模光纖i、單模光纖ii、單模光纖iii、平面高反鏡i、平面高反鏡ii、平面高反鏡iii、平面高反鏡iv、泵浦光平衡探測器、參考光平衡探測器、探測光平衡探測器；

4、本地振蕩光經(jīng)分束棱鏡i后分成兩路，一路作為本振光i被反射至聲光調(diào)制器i進行聲光調(diào)制，調(diào)制后的光信號耦合進單模光纖i，經(jīng)單模光纖i入射至平面高反鏡ii；另一路作為透射光i被透射至分束棱鏡ii，經(jīng)分束棱鏡ii處理為兩路光路，一路作為本振光ii被耦合進單模光纖ii，經(jīng)過單模光纖ii入射至平面高反鏡iii，另一路作為透射光ii被透射至平面高反鏡i，經(jīng)平面高反鏡i反射后得到本振光iii，本振光iii耦合進單模光纖iii，經(jīng)單模光纖iii入射至平面高反鏡iv；

5、調(diào)控單模光纖i使得本振光i和泵浦光空間模式相同，經(jīng)平面高反鏡ii反射的本振光i和里德堡原子泵浦系統(tǒng)出射的泵浦光在合束棱鏡i處合束并干涉，本振光i對泵浦光做平衡外差放大，干涉信號被泵浦光平衡探測器接收，輸出泵浦光電學信號；

6、調(diào)控單模光纖ii使得本振光ii和參考光空間模式相同，經(jīng)平面高反鏡iii反射的本振光ii和里德堡原子泵浦系統(tǒng)出射的參考光在合束棱鏡ii處合束并干涉，本振光ii對探測光做平衡零拍放大，干涉信號被參考光平衡探測器接收，輸出參考光電學信號；

7、調(diào)控單模光纖iii使得本振光iii和探測光空間模式相同，經(jīng)平面高反鏡iv發(fā)射的本振光iii和里德堡原子泵浦系統(tǒng)出射的探測光在合束棱鏡iii處合束并干涉，本振光iii對探測光做平衡零拍放大，干涉信號被探測光平衡探測器接收，輸出探測光電學信號。

8、優(yōu)選的，利用電學信號接收裝置，分別接收探測光電學信號、參考光電學信號、泵浦光電學信號，在探測光電學信號中減去參考光電學信號，降噪運算獲得微波強度信息；在泵浦光電學信號中減去參考光電學信號，降噪運算獲得微波相位信息。

9、優(yōu)選的，所述里德堡原子泵浦系統(tǒng)第一激光器、第二激光器、含有堿金屬原子的玻璃氣室、加熱板、第一分束棱鏡、第一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第二分束棱鏡、第一平面高反鏡、第二平面高反鏡、第三平面高反鏡、第四平面高反鏡、第五平面高反鏡、壓電陶瓷高反鏡、第一長波通鏡、第二長波通鏡、鎖相平衡探測器、第三分束棱鏡、第一電光調(diào)制器、第二電光調(diào)制器、光學垃圾桶、鎖相激光器、第四分束棱鏡、第五分束棱鏡、第一合束棱鏡；

10、含有堿金屬原子的玻璃氣室位于兩個加熱板之間，加熱板通電后為原子氣室增溫；第一激光器發(fā)射連續(xù)激光，所述連續(xù)激光被第一分束棱鏡分成兩束，其中一束激光經(jīng)過第一分束棱鏡透射，再經(jīng)過第一聲光調(diào)制器移頻，作為探測光使用；另一束激光被第二分束棱鏡再次分成兩束，其中一束被第二分束棱鏡反射后直接用作參考光使用；另一束激光被第五分束棱鏡再次分成兩束，一束被第五分束棱鏡反射后被第二聲光調(diào)制器移頻，作為泵浦光使用，另一束作為本地振蕩光入射至分束棱鏡i；

11、探測光、泵浦光、參考光三束激光空間平行，經(jīng)過第一平面高反鏡和壓電陶瓷高反鏡反射成與加熱板平行的三束光，經(jīng)第一長波通鏡透射后從一側(cè)進入玻璃氣室；

12、鎖相激光器發(fā)射連續(xù)鎖相激光，所述連續(xù)激光被第四分束棱鏡分成兩束，其中一束鎖相激光在空間中所經(jīng)過的路徑與探測光路徑相同，經(jīng)過第一平面高反鏡和壓電陶瓷高反鏡反射后與加熱板平行，從一側(cè)進入玻璃氣室，穿過玻璃氣室入射至第三平面高反鏡，經(jīng)第三平面高反鏡反射后與另外一束依次經(jīng)過第四平面高反鏡和第一合束棱鏡的鎖相激光合束拍頻，利用鎖相平衡探測器接收拍頻信號；

13、第二激光器發(fā)射連續(xù)激光，所述連續(xù)激光經(jīng)過第三分束棱鏡被分成兩束，其中一束經(jīng)過第三分束棱鏡透射后被第二平面高反鏡反射，經(jīng)過第二電光調(diào)制器調(diào)制后，作為第二耦合光使用；另一束經(jīng)過第三分束棱鏡反射后入射至第五平面高反鏡，被第五平面高反鏡反射后經(jīng)第二電光調(diào)制器調(diào)制，作為第二耦合光使用；第一耦合光和第二耦合光經(jīng)過第二長波通鏡反射，從另一側(cè)進入玻璃氣室，且第一耦合光與探測光重合，第二耦合光與泵浦光重合；第一耦合光和第二耦合光與原子發(fā)生相互作用后，經(jīng)過第一長波通鏡反射，被光學垃圾桶接收；

14、探測光、泵浦光、參考光從含有堿金屬原子的玻璃氣室向外出射。

15、優(yōu)選的，本振光i、本振光ii和本振光iii的光功率遠遠大于泵浦光、參考光和探測光的光功率條件。

16、優(yōu)選的，探測光和本振光iii的頻率相同。

17、優(yōu)選的，參考光和本振光ii的頻率全同。

18、優(yōu)選的，控制聲光調(diào)制器i改變本振光i的頻率相對于泵浦光的頻率失諧，使得泵浦光和本振光i的頻率存在頻率差。

19、優(yōu)選的，第一激光器的頻率鎖定于原子的基態(tài)能級到激發(fā)態(tài)能級躍遷共振頻率。

20、優(yōu)選的，第二激光器的頻率鎖定于原子的激發(fā)態(tài)能級到里德堡態(tài)能級躍遷共振頻率。

21、本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果是：

22、本發(fā)明設計一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，利用光學放大的技術手段，結(jié)合平衡零拍探測和平衡外差探測技術，通過操控本振光i和本振光iii的頻率，實現(xiàn)微波測量系統(tǒng)的靈敏度提高和相位信息的讀出，極大程度的簡化系統(tǒng)的工程化難度和操控難度，為高靈敏微波信號的測量和微波信號的相位信息讀出提供新技術方法。

技術特征：

1.一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：包括分束棱鏡i、分束棱鏡ii、合束棱鏡i、合束棱鏡ii、合束棱鏡iii、聲光調(diào)制器i、聲光調(diào)制器ii、單模光纖i、單模光纖ii、單模光纖iii、平面高反鏡i、平面高反鏡ii、平面高反鏡iii、平面高反鏡iv、泵浦光平衡探測器、參考光平衡探測器、探測光平衡探測器；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：利用電學信號接收裝置，分別接收探測光電學信號、參考光電學信號、泵浦光電學信號，在探測光電學信號中減去參考光電學信號，降噪運算獲得微波強度信息；在泵浦光電學信號中減去參考光電學信號，降噪運算獲得微波相位信息。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：所述里德堡原子泵浦系統(tǒng)第一激光器、第二激光器、含有堿金屬原子的玻璃氣室、加熱板、第一分束棱鏡、第一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第二分束棱鏡、第一平面高反鏡、第二平面高反鏡、第三平面高反鏡、第四平面高反鏡、第五平面高反鏡、壓電陶瓷高反鏡、第一長波通鏡、第二長波通鏡、鎖相平衡探測器、第三分束棱鏡、第一電光調(diào)制器、第二電光調(diào)制器、光學垃圾桶、鎖相激光器、第四分束棱鏡、第五分束棱鏡、第一合束棱鏡；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：本振光i、本振光ii和本振光iii的光功率遠遠大于泵浦光、參考光和探測光的光功率條件。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：探測光和本振光iii的頻率相同。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：參考光和本振光ii的頻率全同。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：控制聲光調(diào)制器i改變本振光i的頻率相對于泵浦光的頻率失諧，使得泵浦光和本振光i的頻率存在頻率差。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：第一激光器的頻率鎖定于原子的基態(tài)能級到激發(fā)態(tài)能級躍遷共振頻率。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，其特征在于：第二激光器的頻率鎖定于原子的激發(fā)態(tài)能級到里德堡態(tài)能級躍遷共振頻率。

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及一種里德堡原子泵浦系統(tǒng)的微波測量高靈敏讀出系統(tǒng)，屬于微波測量技術領域。該系統(tǒng)利用光學放大的技術手段，結(jié)合平衡零拍探測和平衡外差探測技術，通過操控本振光I和本振光III的頻率，實現(xiàn)微波測量系統(tǒng)的靈敏度提高和相位信息的讀出，極大程度的簡化系統(tǒng)的工程化難度和操控難度，為高靈敏微波信號的測量和微波信號的相位信息讀出提供新技術方法。

技術研發(fā)人員：楊策,肖林,張宏江,楊宏志,黃偉,程海軒,張子越,付中原,謝陽
受保護的技術使用者：中國航天科技創(chuàng)新研究院
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/10/21