(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210239232.7 (22)申请日 2022.03.11 (71)申请人 山西大学 地址 030006 山西省太原市坞城路9 2号 (72)发明人 焦月春　赵建明　白景旭　樊佳蓓　 (74)专利代理 机构 太原申立德知识产权代理事 务所(特殊普通 合伙) 14115 专利代理师 程园园 (51)Int.Cl. G01J 3/02(2006.01) G01J 3/42(2006.01) G01N 21/31(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收 装置及测量方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于里德堡原子的电场 增强的调幅波接收装置及测量方法， 其通过两个 激光发出的探测光和耦合光激发里德堡原子， 同 时施加一个强的电场作为增益电场， 极大的提升 原子对电场的接收灵敏度。 待传输的基带信号先 转换为数字信号， 每一个数字信号设置一个频 率， 然后将这些数字信号通过不同频率的调幅方 式加载到载波场中， 采用电磁感应透明光谱对输 出信号进行探测， 通过频谱分析谱线提取出频率 信号， 将这些频率信号转换为相应的数字信号即 可实现基带信号读出。 此方法适用于任意频率的 载波信号， 解决了现有技术不能实现任意频率载 波通讯的技术问题， 且将调幅的测量转换为频率 的测量， 解决了传统调幅通讯易受干 扰的缺陷。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 114659630 A 2022.06.24 CN 114659630 A 1.基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置， 包括有探测光发射单元 （17） 、 耦合 光发射单元 （18） ， 所述探测光发射单元 （17） 、 耦合光发射单元 （18） 分别发射出具有相同偏 振方向的探测光 （a） 、 耦合光 （b） ， 在所述探测光 （a） 传输线路上依次设置有铯原子样品池 （1） 、 光电探测器 （10） ， 所述耦合光 （b） 从所述铯原子样品池 （1） 的另一端射入进去， 并与所 述探测光 （a） 形成反向共线传播， 待传输的基带信号 （12） 通过微波载波场 （14） 入射到铯原 子样品池 （1） 中， 所述探测光 （a） 、 耦合光 （b） 的频率满足铯 nD5/2里德堡态原子阶梯型三能级 系统的电磁感应透明条件 所需的频率， 当探测光 （a） 的频率锁定在基态6S1/2（F=4） 到第一激 发态6P3/2（F'=5） 的共振跃迁线上， 并在第 一激发态6P3/2 （F'=5） 到里德堡 能级nD5/2共振跃 迁线的附近扫描耦合光 （b） 的频率时， 所述光电探测器 （10） 即可探测到探测光 （a） 无多普勒 背景的电磁感应透明光谱， 其特征在于： 所述待传输基带信号 （12） 通过数字转换器 （13） 转 化为不同频率的数字信号并以相应频率的调幅方式加载到微波载波场 （14） 中， 一起入射到 铯原子样品池 （1） 中， 所述铯原子样品池 （1） 位于增益电场 （11） 中， 所述探测光 （a） 无多普勒 背景的电磁感应透明光谱在增益电场 （11） 作用下会发生AC  Stark频移和分裂， 所述耦合光 （b） 的频率锁定在铯原子的第一激 发态6P3/2（F'=5） 到里德堡能级nD5/2， 磁量子数 mj=1/2， 探 测光 （a） 和耦合光 （b） 的频率 都锁定后， 所述光电探测器 （10） 将 探测到与数字信号频率相同 频率的探测光 （a） 无多普勒背景的电磁感应透明光谱， 并将其电磁感应透明光谱接入到频 谱分析仪 （15） 提取出对应的频率信号， 再经过P C端的分析系统 （16） 将提取的频率信号转换 为对应的数字信号， 即可实现基带信号读出。 2.根据权利要求1所述基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置， 其特征在于： 所 述探测发射单元 （17） 包括有第一激光 发射器 （2） ， 在所述第一激光发射器 （2） 发射出探测光 （a） 的传输线路上依次设置有852nm的高反镜 （3） 、 852nm的二分之波片 （4） 、 852nm的偏振分 光棱镜 （5） ， 所述探测光 （a） 的波长为852nm的激光； 所述耦合光发射单元 （18） 包括有第二激光发射器 （6） ， 在所述第二激光发射器 （6） 发射 出耦合光 （b） 的传输线路上依次设置有双色镜 （7） 、 510nm的二分之波片 （8） 、 510nm的偏振分 光棱镜 （9） ， 所述耦合 光 （b） 的波长为510nm的激光； 所述探测光 （a） 从铯原子样品池 （1） 射出依次经过510nm的偏振分光棱镜 （9） 、 510nm的 二分之波片 （8） 、 双色镜 （7） ， 并由所述 光电探测器 （10） 探测。 3.根据权利要求2所述基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置， 其特征在于： 所 述双色镜 （7） 由510nm的高反镜和852nm高透 镜组成。 4.根据权利要求2或3所述基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置， 其特征在 于： 所述铯 原子样品池 （1） 为装有铯 原子蒸汽的玻璃 铯泡。 5.一种采用权利要求4所述基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收装置的测量方 法， 其方法包括如下步骤： S1.所述第一激光发射器 （2） 发出波长为852nm的激光作为探测光 （a） ， 探测光 （a） 经过 852nm的高反镜 （3） 、 852nm的二分之波片 （4） 和852nm的偏振分光棱镜 （5） 从铯原子样品池 （1） 的一端入射到铯原子样品池 （1） 中， 透过铯原子样品池 （1） 的探测光 （a） 通过510nm的偏 振分光棱镜 （9） 、 510nm的二分之波片 （8） 和由852nm高透镜与510nm高反镜组成的双色镜 （7） 入射到光电探测器 （10） 上进行探测； S2.第二激光发射器 （6） 发出波长510nm的激光作为耦合光 （b） ， 所述耦合光 （b） 经过由权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114659630 A 2852nm高透镜与510nm高反镜组成的双色镜 （7） 、 510nm的二分之波片 （8） 和510nm的偏振分光 棱镜 （9） 从铯原子样品池 （1） 的另一端入射进铯原子样品池 （1） 中， 与探测光 （a） 在铯原子样 品池 （1） 中反向共线传播； S3.在上述S1和S2中， 所述探测光 （a） 、 耦合光 （b） 频率应满足铯nD5/2里德堡态原子阶梯 型三能级系统的电磁感应透明条件， 所述探测光 （a） 的频率锁定在铯原子的基态6S1/2（F=4） 到激发态6P3/2（F'=5） 的共振跃迁线上， 所述探测光 （a） 无多普勒背景的电磁感应透明光谱 在增电益场 （11） 作用下会发生AC  Stark频移和分裂， 使得nD5/2里德堡态电磁感应透明光谱 产生频移并分裂为磁量子数 mj=1/2、 3/2、 5/2的谱线， 且磁量子数 mj=1/2的谱线由于具有较 大的极化率而分裂的最远， 通过对其电磁感应透明光谱进 行分析， 所述耦合光 （b） 的频率锁 定到第一激发态6P3/2（F'=5） 到里德堡能级nD5/2，mj=1/2的能级斜率最大的共振跃迁线上， 此时探测光 （a） 和耦合 光 （b） 的频率都锁定； S4.在S3的基础 上， 将待测基带信号 （12） 经过数字转换器 （13） 转换为数字信号， 每一个 数字信号设置一个频率， 然后 将这些数字信号通过不同频率的调幅方式加载到微波载波场 （14） 中， 当载波信号入射到铯原子样 品池 （1） 时， 由于载波的幅度被调制， 在探测器 （10） 中 观测到的光信号会 呈现出相同频率的幅度调制， 将 探测器 （10） 的输出信号接入频谱分析仪 （15） 提取出对应的频率信号， 再经过P C端的分析系统 （16） 将提取的频率信号转换为对应的 数字信号， 即可实现基带信号读出。 6.根据权利要求5所述的基于里德堡原子的电场增强的调幅波接收的测量方法， 其特 征在于： 所述 微波载波场 （14） 中载波的频率 为任意连续频率。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114659630 A 3