成永杰,靳 剛,韓斌斌,彭 博,黃承祖,劉星汛,齊萬泉

(北京無線電計量測試研究所,北京 100039)

1 引言

隨著國際單位制7 個基本單位已由基本物理常數(shù)定義,計量單位進入了量子化時代[1]。利用原子體系精確、可復(fù)現(xiàn)性等優(yōu)點,在時間頻率[2]、重力加速度[3]、磁場[4]等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了精密測量,提升了多種參量計量技術(shù)水平。

微波技術(shù)作為雷達、通信等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,獲得了廣泛應(yīng)用[5,6]。傳統(tǒng)對微波電場校準和測量最小可測量場強幅度約為0.1 V/m,測量不確定度約為12 %[7]。隨著微波電場測量技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)微波場強測量技術(shù)的測量靈敏度和準確度逐漸難以滿足當(dāng)前雷達、通信等領(lǐng)域研究和應(yīng)用的需求。

里德堡原子因具有極大電極化率,對外電場極其敏感,基于里德堡原子量子效應(yīng)的微波場強測量技術(shù)具有測量靈敏度高、測量不確定度低、溯源性好等優(yōu)勢,將對微波場強計量、通信等領(lǐng)域帶來深刻影響。美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)[8,9]、美國奧克拉荷馬大學(xué)[10,11]、美國密歇根大學(xué)[12]、山西大學(xué)[13]、北京無線電計量測試研究所[14-18]、中國計量科學(xué)研究院(NIM)[19]、華南師范大學(xué)[20]等在基于里德堡原子量子干涉效應(yīng)的微波電場測量技術(shù)領(lǐng)域開展了一系列研究工作。

利用銫原子蒸汽室作為探頭,采用里德堡原子電磁誘導(dǎo)透明光譜技術(shù)和外差拍頻技術(shù),實現(xiàn)了微波頻率范圍(1～40)GHz,場強幅度范圍5 mV/m～10 V/m 的微波場強精確測量。

2 微波電場測量測量原理及實驗裝置

里德堡原子最外層電子相距內(nèi)核較遠,具有較大電偶極矩,利用其對外部電場敏感的特點,可以作為高靈敏度電場傳感器。通過采用雙光子共振激發(fā)機制將原子制備到里德堡原子,使得原子產(chǎn)生電磁感應(yīng)透明(EIT)現(xiàn)象,當(dāng)里德堡原子感受外電場時,EIT 光譜產(chǎn)生AT 分裂,通過探測EIT-AT 分裂頻率的變化,進而分析電場強弱。原子EIT 光譜產(chǎn)生的AT 分裂寬度Δf與外加微波電場幅度的關(guān)系可以表示為:

實驗方案如圖1 所示,852 nm 激光作為探測光,509 nm 作為耦合光。探測光通過無調(diào)制偏振光譜鎖頻,頻率共振于原子6S1/2～6P3/2躍遷能級,耦合光波長調(diào)諧至6P3/2～nD5/2里德堡共振躍遷線,通過掃描耦合光頻率,得到電磁感應(yīng)透明(EIT)光譜信號。當(dāng)被測微波電場頻率與鄰近銫原子里德堡態(tài)能級共振時,在微波電場作用下,EIT 光譜產(chǎn)生劈裂,出現(xiàn)EIT-AT 分裂光譜。根據(jù)AT 分裂頻率間隔大小利用式(1)可得到微波電場強度。

圖1 里德堡原子測量微波電場測量方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of microwave electrometry based on Rydberg atoms

實驗中通過調(diào)諧耦合光激光波長,獲得了主量子數(shù)n=44～96 的高信噪比銫原子里德堡原子能級EIT 光譜,如圖2 所示。圖2 中,以銫原子里德堡nD5/2共振點為零點,灰色點畫線為不同主量子數(shù)里德堡能級下D3/2對應(yīng)EIT 光譜峰位置;曲線均在75 μW 探測光和80 mW 的耦合光功率,光斑大小分別為1.8 mm和1.6 mm 條件下獲得。

圖2 不同主量子數(shù)銫原子里德堡態(tài)D 態(tài)EIT 光譜圖Fig.2 EIT spectrum of different Cs Rydberg state

3 微波電場強度測量實驗結(jié)果

采用如圖3 所示的裝置,在全電波暗室環(huán)境下,將量子場強探頭固定在距離發(fā)射天線口面3.5 m距離處,以滿足遠場條件。利用標準增益天線產(chǎn)生被測微波電場,當(dāng)微波頻率與nD5/2和n+1P3/2能級躍遷頻率共振時,EIT 光譜將產(chǎn)生AT 分裂。在不同幅度微波電場作用下,EIT-AT 分裂間隔大小不同,通過測量AT 光譜分裂間隔,利用式(1)可得到被測微波電場強度大小。

圖3 量子場強測量布置實物圖Fig.3 The layout of microwave electric field measurement in anechoic chamber

采用AT 分裂測量方案和外差測量方案,實現(xiàn)了(1～40) GHz 頻率范圍銫原子微波躍遷共振頻率點微波電場測量,微波電場幅值范圍覆蓋5 mV/m～10 V/m,如圖4 所示。

圖4 (1～40) GHz 場強測量結(jié)果圖Fig.4 The results of electric field measurement between 1 GHz to 40 GHz

4 測量結(jié)果的不確定度分析

4.1 不確定度來源

由式(1)可知場強測量的相對合成方差為:

式中:uc(E)——場強標準不確定度;u(Δf)——AT分裂間隔測量不確定度;——里德堡能能級躍遷偶極矩計算不確定度。

4.2 不確定度分量評定

4.2.1 AT 分裂頻率間隔引入不確定度u(Δf)

AT 分裂間隔頻率Δf=k·Δt,采用線性轉(zhuǎn)換掃描時間得到。

4.2.1.1 時間頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)k引入的不確定度u(k)

干涉模塊光譜信號標定激光頻率變化量同樣也存在尋峰過程,1 MHz 采樣率下,在同一周期單程掃描激光頻率范圍內(nèi)25 ms 的干涉峰值個數(shù)較多,按照120 個峰值計算,每個峰值位置識別不確定度為0.48 %,最終導(dǎo)致同步測量EIT 信號時間頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)k的測量相對不確定度u(k)=0.5 %。

4.2.1.2 時間分辨引入的不確定度u(Δt)

采用1 MHz 采樣率的信號采集系統(tǒng),時間分辨力δt=1×10-6,頻率掃描周期t為50 ms,有效數(shù)據(jù)只有激光掃描上升沿或下降沿,時間分辨引入的相對誤差為δt/2t=0.4%,因此時間采樣分辨的相對不確定度,但對于峰值間隔獲取為三角分布,則時間間隔測量引入相對不確定度為

4.2.1.3 干涉模塊的標定引入的不確定度u(C)

干涉模塊干涉條紋頻率間隔標定由信號源的調(diào)制信號在激光光譜上實現(xiàn),頻率準確度在1×10-6以上,因此干涉模塊標定誤差u2(C)可以忽略。

4.2.1.4 激光器頻率掃描非線性引入的不確定度u(S)

激光器頻率掃描非線性引入的不確定度u(S),數(shù)字程控激光頻率掃描時,0.1 mV 對應(yīng)頻率掃描步長為15 kHz,假設(shè)為矩形分布,激光掃描頻率不確定度為4.33 kHz,激光在掃描范圍約為780 MHz,采樣點為25 000,則數(shù)字采樣得到的每個點對應(yīng)的頻率間隔為0.156 MHz,則得到的相對不確定度為2.8 %,AT 分裂頻率測量不確定度評定表如表1 所示。

表1 AT 分裂頻率測量不確定度評定表Tab.1 Uncertainty budget of AT splitting

4.3 偶極矩引入的不確定度

4.4 合成標準不確定度

根據(jù)以上分析,可以得出標準場各頻點的uc(E)的不確定度概算表,如表2 所示。

表2 標準不確定度評定表Tab.2 Standard uncertainty budget

5 結(jié)束語

基于里德堡原子量子干涉效應(yīng)的微波電場測量技術(shù)可以將微波電場幅值測量轉(zhuǎn)化為頻率測量,是實現(xiàn)微波電場幅值測量溯源鏈路扁平化和高準確測量的必然發(fā)展趨勢。研制了光纖式銫原子蒸汽室,實現(xiàn)了(1～40) GHz 寬帶微波電場,場強幅度5 mV/m～10 V/m 的微波場強測量。