CN116008692A - 一种微波电场测量探头装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种微波电场测量探头装置及使用方法，装置包括：原子蒸气室；原子蒸气室端部连接有双波长分光棱镜，双波长分光棱镜远离原子蒸气室一端连接有输入耦合光光纤准直组件和输出信号光光纤准直组件；原子蒸气室上连接有输入探测光光纤组件；输入探测光光纤组件连接于原子蒸气室远离双波长分光棱镜的一端，输入探测光光纤组件、输出信号光光纤准直组件和原子蒸气室处于同一轴心线上；探测光能够穿过双波长分光棱镜进入输出信号光光纤准直组件；进入原子蒸气室内的耦合光能够与原子蒸气室内可穿过双波长分光棱镜的探测光重合。实现提高光收集效率和使用灵活性的目的。

Description

一种微波电场测量探头装置及使用方法

技术领域

本申请涉及微波电场测量技术领域，其涉及一种微波电场测量探头装置及使用方法，尤其涉及一种基于光纤耦合原子蒸气室结构的微波电场测量探头装置及使用方法。

背景技术

传统的量子电场探头具有低集成度，不稳定，且不易移动，难以实现狭小空间的微波电场测试。而且基于自由空间放置光学镜片组成的光路，容易受到光学元件安装架的振动传递，导致双光束的重合度受到影响，指向变化会影响509nm和852nm光束重合度，由于只有光束重合区域原子才能感应微波电场，重合区域体积减少会导致接收电场的传感单元(里德堡原子)数目发生变化，致使电场测量信号降低，进而影响电场强度诱导的光谱分裂信号。尽管目前也有光纤接入原子气室的样品，但是探测信号光的收集效率低，限制了可测最小场强和信噪比。并且，在气室内部远离微波场源的方向上，场强大小不是随距离增加而减小，而是存在多个极大值和极小值，并且频率越高，不同光学路径上位置的电场大小差异性越大，因此光束指向路径改变会导致实测场强大小发生改变。

原有的直通式的原子电场探头方案如下图1所示，由于509nm的输入准直部分和852nm的输出耦合部分均经过准直镜部分A2，由于509nm和852nm的波长数值不同，经过clens准直或者clens耦合时的色散不同，导致聚焦焦点位置不同，为增强感应微波电场信号，当保证509nm平行光束和852nm在蒸气室内重合时，852nm从A2端口输出的效率就变低至50％，再加上外加的一个光纤的WDM用于将509nm激光和852nm激光分离，此器件损耗约为40-50％，即WDM的最大效率为60％。实际上直通式的方案最高只能有30％。此时还不考虑“探头和光纤WDM之间的连接损耗。而且原有的直通式的连接点左右侧光纤为保证852nm和509nm同时使用，均使用PM630的光纤，其在852nm上透过率为80％，509nm的透过率为70％。

发明内容

本说明书实施例提出一种微波电场测量探头装置及使用方法，解决现有技术中光信号收集效率低，以及结构单一使用不够灵活的问题。

为此，本说明书实施例提供如下方案：

一方面，本申请实施例提供一种微波电场测量探头装置，包括：原子蒸气室。所述原子蒸气室端部连接有双波长分光棱镜，所述双波长分光棱镜远离所述原子蒸气室一端连接有输入耦合光光纤准直组件和输出信号光光纤准直组件；所述原子蒸气室上连接有输入探测光光纤组件。

输入耦合光光纤准直组件，用于接收耦合光，所述双波长分光棱镜能够将耦合光反射至所述原子蒸气室内。输出信号光光纤准直组件，用于输出探测光。输入探测光光纤组件，用于将探测光传递至所述原子蒸气室。

所述原子蒸气室端部连接有双波长分光棱镜，所述双波长分光棱镜远离所述原子蒸气室一端连接有输入耦合光光纤准直组件和输出信号光光纤准直组件；所述原子蒸气室上连接有输入探测光光纤组件。

所述输入探测光光纤组件连接于所述原子蒸气室远离所述双波长分光棱镜的一端，所述输入探测光光纤组件、输出信号光光纤准直组件和原子蒸气室处于同一轴心线上；或，所述输入探测光光纤组件与所述双波长分光棱镜连接于所述原子蒸气室的同一端，所述原子蒸气室远离所述双波长分光棱镜的一端连接有角锥反射镜。

其中，探测光能够穿过所述双波长分光棱镜进入所述输出信号光光纤准直组件，探测光能够通过所述角锥反射镜进入所述原子蒸气室。

进一步的，所述原子蒸气室呈柱体结构，端面设有光增透膜。

进一步的，所述双波长分光棱镜包括直角三棱柱和与斜四棱柱，所述直角三棱柱包括直角面和三棱柱斜面，所述斜四棱柱包括入射耦合光窄面、出射光窄面和斜四棱柱斜面；

所述斜四棱柱斜面与所述直角三棱柱斜面连接；所述出射光窄面与所述原子蒸气室连接；所述入射耦合光窄面与所述输入耦合光光纤准直组件连接；

所述直角面、入射耦合光窄面和出射光窄面面设有光增透膜；所述三棱柱斜面、四棱柱斜面设有探测光增透膜和耦合光高反膜。

进一步的，所述出射光窄面与所述原子蒸气室通过光胶无缝粘接。

进一步的，所述入射耦合光窄面与所述输入耦合光光纤准直组件通过高强度紫外胶粘接。

进一步的，所述斜四棱柱斜面与所述直角三棱柱斜面通过光胶粘接。

进一步的，所述输出信号光光纤准直组件包括固定同轴玻璃管和设置于所述固定同轴玻璃管内的C形透镜和光纤端面，所述C形透镜与所述光纤端面间隔设置，所述C形透镜的角面和所述光纤端面的角面平行。

进一步的，若所述输入探测光光纤组件与所述双波长分光棱镜连接于所述原子蒸气室上的同一端，则，所述角锥反射镜包括激光入射面、第一反射斜面和第二反射斜面；

所述激光入射面上设有光增透膜，所述第一反射斜面和第二反射斜面上设有探测光的高反射膜和耦合光的高透膜且涂有黑漆，所述激光入射面与所述原子蒸气室连接。

进一步的，所述原子蒸气室、双波长分光棱镜、输出信号光光纤准直组件、输入耦合光光纤准直组件和输入探测光光纤组件均采用玻璃制成。

另一方面，本申请实施例提供一种微波电场测量探头装置的使用方法，包括以下步骤：若输入探测光光纤组件与所述输出信号光光纤准直组件处于所述原子蒸气室两端，则，包括以下步骤：

探测光经过输入探测光光纤准直组件进入到原子蒸气室；

经过原子蒸气室后，经过双波长分光棱镜透射进入到输出信号光光纤准直组件；

耦合光经过输入耦合光光纤准直组件实现大光束直径的平行光束，再经过双波长分光棱镜反射，进入到原子蒸气室内，与即将射出原子蒸气室的探测光重合；

若输入探测光纤准直器与所述输出信号光光纤准直组件处于所述原子蒸气室同一端，则，包括以下步骤：

探测光经过输入探测光光纤准直组件进入到原子蒸气室；

探测光穿过原子蒸气室后，经过角锥反射镜反射再次进入到原子蒸气室；

再次穿过原子蒸气室后，经过双波长分光棱镜透射进入到输出信号光光纤组件；

耦合光经过输入耦合光光纤准直组件实现大光束直径的平行光束，再经过双波长分光棱镜反射，进入到原子蒸气室内，与即将射出原子蒸气室的探测光重合。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

利用本发明的原子电场探头可以实现低损耗的探测激光传输耦合，高效率收集微波电场感应强度，得到高信噪比的光谱信号，提升原子电场计的测量灵敏度。

采用全玻璃的原子电场探头相比金属结构的电场探头具有低的介电常数，降低电场探头对被测微波电场的干扰。

利用光胶封装的光纤耦合式原子蒸气室，可以避免自由空间光路的指向抖动引起的气室内部探测使用的不同位置的原子群，造成电场幅值复现性差。

并且全光学玻璃光胶粘接的结构可保证探头具有耐高温，抗震动的优势。根据需要可以布置反射式结构的电场探头和直通式电场探头，便于现场的布置走线路径。

准直部分和输出部分时相互独立的，各自可调节其聚焦参数，既保证探测光和耦合光在蒸气室内的重合，也可以提升输出耦合效率。能够实现狭小空间场强的测量，既可以保证双光束重合的一致性和稳定性，也能保证布置原子气室时，气室内光束路径不变，确保测量电场强度的一致性。同时利用纯自由空间式的设计的小型双波长分光棱镜，实现高效率的探测光和耦合光的激光分束，利用斜面反射，将输入和输出激光光束在同一轴线方向上，可使尾纤耦合直进直出结构布置方便，免于过度弯折，提高使用灵活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

在附图中：

图1为传统直通式的原子电场探头结构示意图；

图2为本说明书实施例提供的一种微波电场测量探头装置的一种可能情况结构示意图；

图3为本说明书实施例提供的输入耦合光光纤准直组件结构示意图；

图4为本说明书实施例提供的双波长分光棱镜结构示意图；

图5为本说明书实施例提供的一种微波电场测量探头装置的另一种可能情况结构示意图；

图6为本说明书实施例提供的角锥反射镜结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例1

本说明书实施例1提供一种微波电场测量探头装置，请参阅图2，包括：原子蒸气室6，原子蒸气室包括但不限于呈柱体结构，端面设有光增透膜；原子蒸气室端部连接有双波长分光棱镜5，双波长分光棱镜远离原子蒸气室一端连接有输入耦合光光纤准直组件4和输出信号光光纤准直组件2，使用时输入耦合光光纤准直组件4连接输入耦合光光纤3，输出信号光光纤准直组件2连接输出信号光纤1；原子蒸气室上连接有输入探测光光纤组件7，使用时，输入探测光光纤组件7连接输入探测光光纤8；输入探测光光纤组件7连接于原子蒸气室6远离双波长分光棱镜5的一端，输入探测光光纤组件、输出信号光光纤准直组件和原子蒸气室处于同一轴心线上。

进一步说明，耦合光光纤准直组件4用于接收耦合光，并将耦合光传递至双波长分光棱镜，双波长分光棱镜能够将耦合光反射至原子蒸气室内；输出信号光光纤准直组件，用于输出探测光；输入探测光光纤组件，用于将探测光传递至原子蒸气室；其中，探测光能够穿过双波长分光棱镜进入输出信号光光纤准直组件；进入原子蒸气室内的耦合光能够与原子蒸气室内可穿过双波长分光棱镜的探测光重合。

进一步说明，请参阅图3所示，输出信号光光纤准直组件2包括固定同轴玻璃管21和设置于固定同轴玻璃管21内的C形透镜22和光纤端面23，C形透镜22与光纤端面23间隔设置，C形透镜的角面和光纤端面的角面平行。(其他光纤准直组件与此结构相同，此处不重复描述)

进一步说明，请参阅图4所示，双波长分光棱镜5包括直角三棱柱51和与斜四棱柱52，直角三棱柱包括直角面511和三棱柱斜面512，斜四棱柱52包括入射耦合光窄面521、出射光窄面523和斜四棱柱斜面522；斜四棱柱斜面与直角三棱柱斜面连接；出射光窄面与原子蒸气室连接；入射耦合光窄面与输入耦合光光纤准直组件连接；直角面、入射耦合光窄面和出射光窄面面设有光增透膜；三棱柱斜面、四棱柱斜面设有探测光增透膜和耦合光高反膜。

出射光窄面与原子蒸气室通过光胶无缝粘接。入射耦合光窄面与输入耦合光光纤准直组件通过高强度紫外胶粘接。斜四棱柱斜面与直角三棱柱斜面通过光胶粘接。

在一个具体实施中，探测光波长为852nm，耦合光波长为509nm，输出信号光也为852nm，输入探测光和输入耦合光用于将原子从基态制备至里德堡能级，输入探测光的激光频率共振于原子基态和中间激发态，输入耦合光的频率在里德堡能级附近连续周期性扫描，当该方案用于微波电场测量时，输出的信号光的时域强度分布携带有被测微波电场强度信息。

输入探测光依次经过输入探测光光纤，输入探测光光纤组件，原子蒸气室，双波长分光棱镜，输出信号光光纤准直组件经输出信号光纤输出。

输入耦合光依次经过耦合光光纤，输入耦合光光纤组件，双波长分光棱镜，原子蒸气室。耦合光和探测光在原子蒸气室空间重合，反向传输。

耦合光和探测光在双波长分光棱镜5的直角三棱柱斜面512处重合，在此面处，镀有509nm高反射率，852nm消反射膜，使得耦合光在此面实现高的反射率，探测光实现高的透射率。

输入探测光光纤组件和输出信号光光纤组件共线，可以实现信号光的高收集效率。

耦合光依次经过双波长分光棱镜5的两个分光斜面反射，经过出射光窄面523进入至原子蒸气室。

光纤准直组件的输出激光为近平行光斑直径的光束，光束直径为1mm。

激光均是从平面零度角入射进入或输出，可保证激光传输不发生折射，产生光束方向偏移。激光经过棱镜时均有偶数个三角面反射，可保证经过棱柱不发生像散。

采用8度角的斜面C形透镜和端面抛光的8度角光纤间隔一定距离，粘接固定于固定同轴玻璃管21内，通过光纤端面封装玻璃管密封。两个8度角面平行，可以保证光斑不发生轴向偏移，平行传输进入原子蒸气室。

原子蒸气室，端面镀有400nm-900nm的增透膜，增加探测光的利用率，提高信号光获取效率，实现提升探测电场信息的光谱信噪比的目的。

原子蒸气室为铯原子的蒸气室，内部为高真空环境，原子处于饱和蒸气压。

实施例2

本说明书实施例2提供一种微波电场测量探头装置与实施例基本相同，区别在于，请参阅图5所示，输入探测光光纤组件与双波长分光棱镜连接于原子蒸气室上的同一端，原子蒸气室远离双波长分光棱镜的一端连接有角锥反射镜9。进一步说明的，请参阅图6所示，角锥反射镜包括激光入射面921、第一反射斜面922和第二反射斜面923；激光入射面上设有光增透膜，第一反射斜面和第二反射斜面上设有探测光的高反射膜和耦合光的高透膜且涂有黑漆，激光入射面与原子蒸气室连接。原子蒸气室、双波长分光棱镜、输出信号光光纤准直组件、输入耦合光光纤准直组件和输入探测光光纤组件均采用玻璃制成。输入探测光，输入耦合光，输出信号均在蒸气室的同一侧，其三根光纤可成一束，结构紧凑，便于携带和安装测试，原子蒸气室另一端固定有角锥反射镜，结构稳定可靠。

在一个可能的实施中，角锥反射镜的激光入射平面921镀有400nm-900nm的增透膜，其角锥反射镜的第一反射斜面922和第二反射斜面923镀有探测光的高反射膜，耦合光的高透膜且覆有黑漆。

全部组件为玻璃结构，具有低介电常数，对微波电场的干扰小，可以增强微波场强测试的准确度。其输入耦合光光纤和探测光光纤采用单模保偏光纤，保证激光的偏振方向。输出信号光光纤为大纤芯直径的多模光纤，可以增加信号光的收集效率，提升光谱信号的信噪比，实现高达80％的探测激光利用率。

通过改变光纤准直组件的旋转角度，使其探测光和耦合光的的偏振方向一致，可以使原子处于同一极化方向，是微波电场的极化高灵敏测量。

509nm的准直部分和852nm的输出部分是相互独立的，各自可调节其聚焦参数，既保证509nm和852nm光在蒸气室内的重合，也可以提升852nm的输出耦合效率。同时利用纯自由空间式的设计的小型双波长分光棱镜，实现高效率的激光分束，还能利用斜面反射，将输入和输出激光光束在同一轴线方向上，可使尾纤耦合直进直出结构布置方便，免于过度弯折。提高透过率。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，本申请中的“第一”、“第二”是为了区分同一名称的多个客体，不是用于限定顺序或大小。如非具体说明，没有其他特别的含义。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种微波电场测量探头装置，其特征在于，包括：原子蒸气室；

所述原子蒸气室端部连接有双波长分光棱镜，所述双波长分光棱镜远离所述原子蒸气室一端连接有输入耦合光光纤准直组件和输出信号光光纤准直组件；所述原子蒸气室上连接有输入探测光光纤组件；

所述输入探测光光纤组件连接于所述原子蒸气室远离所述双波长分光棱镜的一端，所述输入探测光光纤组件、输出信号光光纤准直组件和原子蒸气室处于同一轴心线上；

或，所述输入探测光光纤组件与所述双波长分光棱镜连接于所述原子蒸气室的同一端，所述原子蒸气室远离所述双波长分光棱镜的一端连接有角锥反射镜；

其中，探测光能够穿过所述双波长分光棱镜进入所述输出信号光光纤准直组件，探测光能够通过所述角锥反射镜进入所述原子蒸气室。

2.如权利要求1所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述原子蒸气室呈柱体结构，端面设有光增透膜。

3.如权利要求1所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述双波长分光棱镜包括直角三棱柱和与斜四棱柱，所述直角三棱柱包括直角面和三棱柱斜面，所述斜四棱柱包括入射耦合光窄面、出射光窄面和斜四棱柱斜面；

所述斜四棱柱斜面与所述直角三棱柱斜面连接；所述出射光窄面与所述原子蒸气室连接；所述入射耦合光窄面与所述输入耦合光光纤准直组件连接；

所述直角面、入射耦合光窄面和出射光窄面面设有光增透膜；所述三棱柱斜面、四棱柱斜面设有探测光增透膜和耦合光高反膜。

4.如权利要求3所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述出射光窄面与所述原子蒸气室通过光胶无缝粘接。

5.如权利要求3所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述入射耦合光窄面与所述输入耦合光光纤准直组件通过高强度紫外胶粘接。

6.如权利要求3所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述斜四棱柱斜面与所述直角三棱柱斜面通过光胶粘接。

7.如权利要求1所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述输出信号光光纤准直组件包括固定同轴玻璃管和设置于所述固定同轴玻璃管内的C形透镜和光纤端面，所述C形透镜与所述光纤端面间隔设置，所述C形透镜的角面和所述光纤端面的角面平行。

8.如权利要求1所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，若所述输入探测光光纤组件与所述双波长分光棱镜连接于所述原子蒸气室上的同一端，则，所述角锥反射镜包括激光入射面、第一反射斜面和第二反射斜面；

所述激光入射面上设有光增透膜，所述第一反射斜面和第二反射斜面上设有探测光的高反射膜和耦合光的高透膜且涂有黑漆，所述激光入射面与所述原子蒸气室连接。

9.如权利要求1所述的一种微波电场测量探头装置，其特征在于，所述原子蒸气室、双波长分光棱镜、输出信号光光纤准直组件、输入耦合光光纤准直组件和输入探测光光纤组件均采用玻璃制成。

10.一种微波电场测量探头装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

若输入探测光光纤组件与所述输出信号光光纤准直组件处于所述原子蒸气室两端，则，包括以下步骤：

探测光经过输入探测光光纤准直组件进入到原子蒸气室；

经过原子蒸气室后，经过双波长分光棱镜透射进入到输出信号光光纤准直组件；

耦合光经过输入耦合光光纤准直组件实现大光束直径的平行光束，再经过双波长分光棱镜反射，进入到原子蒸气室内，与即将射出原子蒸气室的探测光重合；

若输入探测光纤准直器与所述输出信号光光纤准直组件处于所述原子蒸气室同一端，则，包括以下步骤：

探测光经过输入探测光光纤准直组件进入到原子蒸气室；

探测光穿过原子蒸气室后，经过角锥反射镜反射再次进入到原子蒸气室；

再次穿过原子蒸气室后，经过双波长分光棱镜透射进入到输出信号光光纤组件；

耦合光经过输入耦合光光纤准直组件实现大光束直径的平行光束，再经过双波长分光棱镜反射，进入到原子蒸气室内，与即将射出原子蒸气室的探测光重合。

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