宽带微波电场量子化计量技术研究

成永杰,靳 刚,韩斌斌,彭 博,黄承祖,刘星汛,齐万泉

(北京无线电计量测试研究所,北京 100039)

1 引言

随着国际单位制7 个基本单位已由基本物理常数定义,计量单位进入了量子化时代[1]。利用原子体系精确、可复现性等优点,在时间频率[2]、重力加速度[3]、磁场[4]等领域实现了精密测量,提升了多种参量计量技术水平。

微波技术作为雷达、通信等领域的关键技术之一,获得了广泛应用[5,6]。传统对微波电场校准和测量最小可测量场强幅度约为0.1 V/m,测量不确定度约为12 %[7]。随着微波电场测量技术的快速发展,传统微波场强测量技术的测量灵敏度和准确度逐渐难以满足当前雷达、通信等领域研究和应用的需求。

里德堡原子因具有极大电极化率,对外电场极其敏感,基于里德堡原子量子效应的微波场强测量技术具有测量灵敏度高、测量不确定度低、溯源性好等优势,将对微波场强计量、通信等领域带来深刻影响。美国国家标准与技术研究院(NIST)[8,9]、美国奥克拉荷马大学[10,11]、美国密歇根大学[12]、山西大学[13]、北京无线电计量测试研究所[14-18]、中国计量科学研究院(NIM)[19]、华南师范大学[20]等在基于里德堡原子量子干涉效应的微波电场测量技术领域开展了一系列研究工作。

利用铯原子蒸汽室作为探头,采用里德堡原子电磁诱导透明光谱技术和外差拍频技术,实现了微波频率范围(1～40)GHz,场强幅度范围5 mV/m～10 V/m 的微波场强精确测量。

2 微波电场测量测量原理及实验装置

里德堡原子最外层电子相距内核较远,具有较大电偶极矩,利用其对外部电场敏感的特点,可以作为高灵敏度电场传感器。通过采用双光子共振激发机制将原子制备到里德堡原子,使得原子产生电磁感应透明(EIT)现象,当里德堡原子感受外电场时,EIT 光谱产生AT 分裂,通过探测EIT-AT 分裂频率的变化,进而分析电场强弱。原子EIT 光谱产生的AT 分裂宽度Δf与外加微波电场幅度的关系可以表示为:

实验方案如图1 所示,852 nm 激光作为探测光,509 nm 作为耦合光。探测光通过无调制偏振光谱锁频,频率共振于原子6S1/2～6P3/2跃迁能级,耦合光波长调谐至6P3/2～nD5/2里德堡共振跃迁线,通过扫描耦合光频率,得到电磁感应透明(EIT)光谱信号。当被测微波电场频率与邻近铯原子里德堡态能级共振时,在微波电场作用下,EIT 光谱产生劈裂,出现EIT-AT 分裂光谱。根据AT 分裂频率间隔大小利用式(1)可得到微波电场强度。

图1 里德堡原子测量微波电场测量方案示意图Fig.1 Schematic diagram of microwave electrometry based on Rydberg atoms

实验中通过调谐耦合光激光波长,获得了主量子数n=44～96 的高信噪比铯原子里德堡原子能级EIT 光谱,如图2 所示。图2 中,以铯原子里德堡nD5/2共振点为零点,灰色点画线为不同主量子数里德堡能级下D3/2对应EIT 光谱峰位置;曲线均在75 μW 探测光和80 mW 的耦合光功率,光斑大小分别为1.8 mm和1.6 mm 条件下获得。

图2 不同主量子数铯原子里德堡态D 态EIT 光谱图Fig.2 EIT spectrum of different Cs Rydberg state

3 微波电场强度测量实验结果

采用如图3 所示的装置,在全电波暗室环境下,将量子场强探头固定在距离发射天线口面3.5 m距离处,以满足远场条件。利用标准增益天线产生被测微波电场,当微波频率与nD5/2和n+1P3/2能级跃迁频率共振时,EIT 光谱将产生AT 分裂。在不同幅度微波电场作用下,EIT-AT 分裂间隔大小不同,通过测量AT 光谱分裂间隔,利用式(1)可得到被测微波电场强度大小。

图3 量子场强测量布置实物图Fig.3 The layout of microwave electric field measurement in anechoic chamber

采用AT 分裂测量方案和外差测量方案,实现了(1～40) GHz 频率范围铯原子微波跃迁共振频率点微波电场测量,微波电场幅值范围覆盖5 mV/m～10 V/m,如图4 所示。

图4 (1～40) GHz 场强测量结果图Fig.4 The results of electric field measurement between 1 GHz to 40 GHz

4 测量结果的不确定度分析

4.1 不确定度来源

由式(1)可知场强测量的相对合成方差为:

式中:uc(E)——场强标准不确定度;u(Δf)——AT分裂间隔测量不确定度;——里德堡能能级跃迁偶极矩计算不确定度。

4.2 不确定度分量评定

4.2.1 AT 分裂频率间隔引入不确定度u(Δf)

AT 分裂间隔频率Δf=k·Δt,采用线性转换扫描时间得到。

4.2.1.1 时间频率转换系数k引入的不确定度u(k)

干涉模块光谱信号标定激光频率变化量同样也存在寻峰过程,1 MHz 采样率下,在同一周期单程扫描激光频率范围内25 ms 的干涉峰值个数较多,按照120 个峰值计算,每个峰值位置识别不确定度为0.48 %,最终导致同步测量EIT 信号时间频率转换系数k的测量相对不确定度u(k)=0.5 %。

4.2.1.2 时间分辨引入的不确定度u(Δt)

采用1 MHz 采样率的信号采集系统,时间分辨力δt=1×10-6,频率扫描周期t为50 ms,有效数据只有激光扫描上升沿或下降沿,时间分辨引入的相对误差为δt/2t=0.4%,因此时间采样分辨的相对不确定度,但对于峰值间隔获取为三角分布,则时间间隔测量引入相对不确定度为

4.2.1.3 干涉模块的标定引入的不确定度u(C)

干涉模块干涉条纹频率间隔标定由信号源的调制信号在激光光谱上实现,频率准确度在1×10-6以上,因此干涉模块标定误差u2(C)可以忽略。

4.2.1.4 激光器频率扫描非线性引入的不确定度u(S)

激光器频率扫描非线性引入的不确定度u(S),数字程控激光频率扫描时,0.1 mV 对应频率扫描步长为15 kHz,假设为矩形分布,激光扫描频率不确定度为4.33 kHz,激光在扫描范围约为780 MHz,采样点为25 000,则数字采样得到的每个点对应的频率间隔为0.156 MHz,则得到的相对不确定度为2.8 %,AT 分裂频率测量不确定度评定表如表1 所示。

表1 AT 分裂频率测量不确定度评定表Tab.1 Uncertainty budget of AT splitting

4.3 偶极矩引入的不确定度

4.4 合成标准不确定度

根据以上分析,可以得出标准场各频点的uc(E)的不确定度概算表,如表2 所示。

表2 标准不确定度评定表Tab.2 Standard uncertainty budget

5 结束语

基于里德堡原子量子干涉效应的微波电场测量技术可以将微波电场幅值测量转化为频率测量,是实现微波电场幅值测量溯源链路扁平化和高准确测量的必然发展趋势。研制了光纤式铯原子蒸汽室,实现了(1～40) GHz 宽带微波电场,场强幅度5 mV/m～10 V/m 的微波场强测量。