寬帶微波電場量子化計量技術研究

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、可復現性等優點,在時間頻率[2]、重力加速度[3]、磁場[4]等領域實現了精密測量,提升了多種參量計量技術水平。

微波技術作為雷達、通信等領域的關鍵技術之一,獲得了廣泛應用[5,6]。傳統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的快速發展,傳統微波場強測量技術的測量靈敏度和準確度逐漸難以滿足當前雷達、通信等領域研究和應用的需求。

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的微波場強測量技術具有測量靈敏度高、測量不確定度低、溯源性好等優勢,將對微波場強計量、通信等領域帶來深刻影響。美國國家標準與技術研究院(NIST)[8,9]、美國奧克拉荷馬大學[10,11]、美國密歇根大學[12]、山西大學[13]、北京無線電計量測試研究所[14-18]、中國計量科學研究院(NIM)[19]、華南師范大學[20]等在基于里德堡原子量子干涉效應的微波電場測量技術領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透明光譜技術和外差拍頻技術,實現了微波頻率范圍(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機制將原子制備到里德堡原子,使得原子產生電磁感應透明(EIT)現象,當里德堡原子感受外電場時,EIT 光譜產生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 光譜產生的AT 分裂寬度Δf與外加微波電場幅度的關系可以表示為:

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,得到電磁感應透明(EIT)光譜信號。當被測微波電場頻率與鄰近銫原子里德堡態能級共振時,在微波電場作用下,EIT 光譜產生劈裂,出現EIT-AT 分裂光譜。根據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

實驗中通過調諧耦合光激光波長,獲得了主量子數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里德堡能級下D3/2對應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 不同主量子數銫原子里德堡態D 態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果

采用如圖3 所示的裝置,在全電波暗室環境下,將量子場強探頭固定在距離發射天線口面3.5 m距離處,以滿足遠場條件。利用標準增益天線產生被測微波電場,當微波頻率與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 場強測量結果圖Fig.4 The results of electric field measurement between 1 GHz to 40 GHz

4 測量結果的不確定度分析

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,采用線性轉換掃描時間得到。

4.2.1.1 時間頻率轉換系數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25 ms 的干涉峰值個數較多,按照120 個峰值計算,每個峰值位置識別不確定度為0.48 %,最終導致同步測量EIT 信號時間頻率轉換系數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,時間分辨力δt=1×10-6,頻率掃描周期t為50 ms,有效數據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制信號在激光光譜上實現,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),數字程控激光頻率掃描時,0.1 mV 對應頻率掃描步長為15 kHz,假設為矩形分布,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,則數字采樣得到的每個點對應的頻率間隔為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 結束語

基于里德堡原子量子干涉效應的微波電場測量技術可以將微波電場幅值測量轉化為頻率測量,是實現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展趨勢。研制了光纖式銫原子蒸汽室,實現了(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。