一种单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器及探测系统

1.本发明属于太赫兹波探测技术领域，具体涉及一种单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器及探测系统。


背景技术：

2.太赫兹波是指频率为0.1thz到10thz之间的电磁波，在电磁波谱上处于红外和微波之间。这一波段的电磁波具有较多独特的性质：第一，可以穿透衣物、纸张、木材等非极性材料；第二，多种物质在太赫兹波段具有特征吸收峰；第三，水对太赫兹波具有强烈的吸收作用，水分子在太赫兹波段有多个特征吸收峰；第四，相比于微波毫米波，频段更高，更易实现大带宽的通信系统；第五，相比于红外和可见光，更易穿透雨雪雾霾等不良天气。由于太赫兹波在电磁波谱上所处的特殊位置和拥有的这些特殊物理属性，使得它在公共安全、生物医学、通信、无损检测等许多领域具有独特的应用价值和广阔的市场前景。但是，在太赫兹技术领域，无论是基础研究还是工程化应用，都远远落后于电磁波谱上的其它波段。
3.限制太赫兹技术应用的一个主要原因是太赫兹探测技术还不够成熟。目前常见的太赫兹探测方法，比如混频探测、直接检波或者光导天线等，在探测微弱太赫兹信号方面存在明显不足。
4.近年来，基于里德堡原子量子效应的射频电场探测技术不断发展，在微波探测领域取得了丰富的研究成果。里德堡原子是具有比较大的主量子数的高激发态原子。与基态原子相比，其轨道半径大，辐射寿命长，极化率高，很适合用于弱电磁场的感知和测量。而里德堡能级间的共振跃迁频率，又恰好处于微波和太赫兹频段。
5.里德堡原子射频电场探测的基本理论如图1所示。以充满碱金属蒸汽的里德堡原子气室103作为传感元件。采用探测光信号104将碱金属原子从基态激发到某一中间激发态，采用耦合光信号105将碱金属原子从中间激发态激发到特定的高激发里德堡态，构成里德堡原子的阶梯型三能级系统，从而产生电磁感应透明现象，其表现为里德堡原子气体的光学性质由吸收探测光变为对探测光透明。
6.此时将外部射频电场作用于里德堡原子。特定频率的外加电场耦合一些较高能级的里德堡态，在此过程中产生量子相干，使得电磁感应透明光谱的共振峰产生劈裂，即 autler-townes效应（也称at分裂）。不同电场强度激发下的at分裂大小不同，较强的电场会导致较大的分裂。可通过测量at分裂的间距来测量外加电场的强度。
7.由于外部电场的强度正比于at分裂的间距，所以当外部电场弱至at分裂无法分辨时，上述测量方法不再有效。此时，可采用混频探测的方式，即采用与被测信号有细微频率差别的信号作为本振信号101，将本振信号101与被测信号102同时照射到里德堡原子气室103上，如图1所示。此时，里德堡原子作为混频器，将被测信号转化为频率为本振信号和被测信号之差的中频信号if。并体现在探测光信号104经过里德堡原子气室后的输出强度上，其强度以本振信号和被测信号的差频为频率进行振荡，从而得到被测射频信号的电场强度。


技术实现要素：

8.为解决现阶段太赫兹技术的发展和应用受制于太赫兹探测技术手段不足的问题，本发明提出一种单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器。本发明在现有里德堡原子射频电场探测理论的基础上，提出一种太赫兹混频探测系统，可实现基于里德堡原子量子效应的太赫兹混频探测。
9.一种单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器，包括：信号输入法兰、信号输入波导、信号输入波导气室过度结构、里德堡原子气室兼太赫兹波腔体、太赫兹合路器、本振信号端法兰和被测太赫兹波端法兰；所述本振信号端法兰用于接入本振信号；所述被测信号端法兰用于接入被测太赫兹波；所述太赫兹合路器用于将所述本振信号和被测信号合成一路；所述信号输入法兰与太赫兹合路器连接，用于接入合成一路的本振信号和被测太赫兹波；所述信号输入波导与信号输入法兰连接，用于传输本振信号和被测太赫兹波；所述信号输入波导气室过度结构将所述本振信号和被测太赫兹波过度至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体，在密封腔体内形成稳定的太赫兹电磁场；所述里德堡原子气室兼太赫兹波腔体为具有透光窗口的空心密封腔体，其中充满碱金属原子气体，耦合光和探测光通过所述透光窗口穿过。
10.本发明还提出了一种太赫兹混频探测系统，包括：二向色镜、光电探测器及太赫兹混频器；本振信号和被测信号在太赫兹合路器中合成一路，传输至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体发生混频；所述二向色镜设置于耦合光入射进入透光窗口前的光路上，用于透射耦合光并反射从透光窗口射出的探测光；所述光电探测器正对所述二向色镜设置，用于测量被所述二向色镜反射的探测光的光强；所述光电探测器输出正弦波，正弦波的幅值正比于被测太赫兹波的幅值，正弦波的频率为本振信号和被测太赫兹波的频率差。
11.进一步地，太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中充入碱金属原子气体，探测光将碱金属原子从基态激发到中间态，耦合光将碱金属原子从中间态激发到里德堡态，所述里德堡态原子在本振信号和被测太赫兹波的作用下跃迁至相邻里德堡态。
12.进一步地，里德堡态决定了耦合光的波长，里德堡态与相邻里德堡态之间的能级差决定了被测量的太赫兹波的频率，根据被测太赫兹的频率选择里德堡原子的主量子数，根据中间态和里德堡态的能级差选择耦合光的波长。
13.本发明还提出了一种太赫兹超外差探测系统，包括：第一太赫兹混频器，第二太赫兹混频器，第一反射镜，第二反射镜，第一分束镜，第二分束镜，第一太赫兹功分器，第二太赫兹功分器，太赫兹90
°
移相器，第一光电探测器和第二光电探测器；第一和第二太赫兹混频器为如上所述的太赫兹混频器，第一和第二太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中充入碱金属原子气体；耦合光由第二分束镜分为第一耦合光和第二耦合光，探测光由第一分束镜分为第
一探测光和第二探测光；第一耦合光和第一探测光在第一太赫兹混频器中将碱金属原子激发到里德堡态，第二耦合光和第二探测光在第二太赫兹混频器中将碱金属原子激发到里德堡态；本振信号由第一太赫兹功分器分为第一路本振信号和第二路本振信号，第二路本振信号经太赫兹90
°
移相器后，相位偏移90
°
；被测太赫兹波由第二太赫兹功分器分为第一路被测太赫兹波和第二路被测太赫兹波；第一太赫兹合路器将第一路本振信号和第一路被测太赫兹波合成一路，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在第一探测光经过第一太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强上，并被第一光电探测器探测得到；第二太赫兹合路器将相位偏移后的第二路本振信号和第二路被测太赫兹波合成一路，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在第二探测光经过第二太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强上，并被第二光电探测器探测得到。
14.进一步地，第一光电探测器的输出为第一探测光经过里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强，该光强是第一路本振信号与第一路被测太赫兹波的混频信号，为同相分量i；第二光电探测器的输出为第二探测光经过里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强，该光强是第二路本振信号经过90
°
移相后与第二路被测太赫兹波的混频信号，为正交分量q；采用iq解调方法，获得被测太赫兹波的幅值和相位。
15.进一步地，第一和第二太赫兹混频器各自的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中充入碱金属原子气体，第一和第二探测光分别将碱金属原子从基态激发到中间态，第一和第二耦合光分别将碱金属原子从中间态激发到里德堡态，所述里德堡态原子在本振信号和被测太赫兹波的作用下跃迁至相邻里德堡态。
16.相比于现有技术，本发明具有如下有益技术效果：目前常见的太赫兹探测方法，比如混频探测、直接检波或者光导天线等，在探测微弱太赫兹信号方面存在明显不足。本发明提出一种基于里德堡原子量子效应的单侧输入型太赫兹混频探测技术。主要特征是提出一种太赫兹波与里德堡原子气室耦合结构，相比于太赫兹波从自由空间照射到里德堡原子气室，该结构大幅提升耦合效率。在此耦合结构的基础上实现单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器，利用混频器实现太赫兹波的超外差探测。在提升探测灵敏度的同时，获得太赫兹电场强度和相位这两个最重要的物理量。本发明可提升太赫兹探测技术水平，促进太赫兹技术应用发展。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为现有技术的里德堡原子射频电场探测的基本理论示意图；图2为本发明的单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器结构示意图；
图3为本发明的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体的结构图；图4为本发明的太赫兹混频探测系统结构示意图；图5为本发明的太赫兹超外差探测系统结构示意图。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
20.在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述系统中的各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的信号传输方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。
21.在现有里德堡原子探测电磁波电场的应用中，将电磁波通过天线发射并照射至里德堡原子气室。由于天线辐射的电磁波是发散的，里德堡原子气室，包括激光光束，只占有该发散区域的一小部分，大大降低了探测效率。因此本发明提出一种波导至里德堡原子气室的耦合结构，将波导中的太赫兹波高效耦合至里德堡原子气室，大幅提升探测效率，并在此耦合结构基础上构建里德堡太赫兹混频器，利用混频器实现太赫兹波的超外差探测。在提升探测灵敏度的同时，获得太赫兹电场强度和相位这两个最重要的物理量，为太赫兹技术的应用提供一种高效的探测手段。
22.如图2所示为本发明的单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器结构示意图，单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器包括：信号输入法兰1、信号输入波导2、信号输入波导气室过度结构3、里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4、太赫兹合路器5、本振信号端法兰6、被测太赫兹波端法兰7。里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4上开有透光窗口8，供耦合光9和探测光10穿过。
23.信号输入法兰1采用太赫兹波段的标准法兰，用于与太赫兹合路器5连接，接入本振信号和被测太赫兹波。
24.信号输入波导2采用太赫兹波段的标准波导，用于传输本振信号和被测太赫兹波。
25.信号输入波导气室过度结构3为角锥喇叭结构，将波导中的本振信号和被测太赫兹波过度至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4，从而减小回波损耗。
26.太赫兹合路器5用于将本振信号和被测太赫兹波合成一路。
27.本振信号端法兰6采用太赫兹波段的标准法兰，用于接入本振信号。
28.被测太赫兹波端法兰7采用太赫兹波段的标准法兰，用于接入被测太赫兹波。
29.关于上述太赫兹混频器各部分的材料，除已描述的部分之外，全部为铜镀金结构，具有优良的抗腐蚀性能和对太赫兹波的反射性能。
30.本振信号和被测太赫兹波均以波导输入，为太赫兹波段的标准波导。波导和里德堡原子气室之间的过渡部分为角锥喇叭结构，优化的过度结构可将波导中的太赫兹波顺利的耦合至里德堡原子气室腔体。
31.里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4为一个长方体空心密封腔体，其中充满碱金属
原子气体，具体结构如图3所示。
32.外端面4-1是腔体的外部端面，由光学玻璃构成，是组成密封腔体的一部分，里德堡原子气室兼太赫兹波腔体内的本振信号和被测太赫兹波可透过外端面4-1向外辐射。
33.内端面4-2是腔体与信号输入波导气室过度结构3连接的端面，由光学玻璃构成，是组成密封腔体的一部分，本振信号和被测太赫兹波可透过内端面4-2到达里德堡原子气室兼太赫兹波腔体。
34.左透光窗口8-1和右透光窗口8-2由表面镀氧化铟锡膜的光学玻璃（ito玻璃）构成，用于供耦合光9和探测光10进入里德堡原子气室兼太赫兹波腔体，同时能够反射太赫兹波。
35.壁部4-3、左透光窗口8-1、右透光窗口8-2、内端面4-2和外端面4-1共同构成密封腔体。壁部4-3为铜镀金结构，具有优良的抗腐蚀性能和对太赫兹波的反射性能，用于在密封腔体内形成稳定的太赫兹电磁场。
36.在本发明的一个实施例中，提出了太赫兹混频探测系统，如图4所示，图4为基于里德堡原子量子效应的太赫兹混频探测系统结构示意图。太赫兹混频探测系统包括：单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器，二向色镜11和光电探测器12。
37.二向色镜11用于透射耦合光9并反射探测光10；光电探测器12用于测量探测光10的光强。用于输入本振信号13和被测太赫兹波14的波导分别连接太赫兹合路器5的本振信号端法兰6和被测太赫兹波端法兰7。
38.利用基于里德堡原子量子效应的太赫兹混频探测系统进行太赫兹波测量时，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4中充入碱金属原子气体，以铷原子为例，利用波长为780.24nm的探测光将铷原子从基态（5s
1/2
）激发到中间态（5p
3/2
），再利用耦合光将铷原子从中间态（5p
3/2
）激发到里德堡态（nd
5/2
）。里德堡态（nd
5/2
）原子在本振信号和被测太赫兹波的作用下跃迁至相邻里德堡态（n+1p
3/2
），其中n为里德堡原子的主量子数。
39.具体里德堡态（nd
5/2
）决定了耦合光的波长，相邻里德堡态（nd
5/2
）和（n+1p
3/2
）之间的能级差决定了被测量的太赫兹波的频率。例如n=20时，耦合光波长为486.41nm，可测量的太赫兹波的频率为0.309thz。
40.在实际应用中，首先根据被测太赫兹的频率选择里德堡原子的主量子数，再根据中间态（5p
3/2
）和里德堡态（nd
5/2
）的能级差选择耦合光的波长。
41.在测量中，波导中的本振信号13经本振信号端法兰6输入至太赫兹合路器5，波导中的被测太赫兹波14经被测太赫兹波端法兰7输入至太赫兹合路器5。本振信号和被测太赫兹波在太赫兹合路器5中合成一路，并经信号输入波导2和信号输入波导气室过度结构3传输至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4。耦合光9和探测光10经透光窗口8进入里德堡原子气室兼太赫兹波腔体4。本振信号13和被测太赫兹波14在德堡原子气室兼太赫兹波腔体4中发生混频，混频结果体现在探测光10经过德堡原子气室兼太赫兹波腔体4之后的光强上，被光电探测器12探测得到。
42.光电探测器12的输出为正弦波，其幅值正比于被测太赫兹波的幅值，频率为本振信号13和被测太赫兹波14的频率差。通过测量光电探测器12输出的正弦波信号，即可得到被测太赫兹波信号的幅值。
43.本系统也可采用其它里碱金属德堡原子，比如铯原子气体。
44.另一个实施例中，本发明还提出了太赫兹超外差探测系统，基于里德堡原子量子效应的太赫兹超外差探测系统如图5所示。太赫兹超外差探测系统包括：第一太赫兹混频器20-1，第二太赫兹混频器20-2，第一反射镜15-1，第二反射镜15-2，第一分束镜16-1，第二分束镜16-2，第一太赫兹功分器17-1，第二太赫兹功分器17-2，太赫兹90
°
移相器18，第一光电探测器12-1和第二光电探测器12-2。
45.第一太赫兹混频器20-1和第二太赫兹混频器20-2的结构均如图2所示，具体结构参考前面对图2的说明部分。
46.本实施例采用两个单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器进行超外差混频。耦合光9由第二分束镜16-2分为两束，分别是第一耦合光9-1和第二耦合光9-2，探测光10由第一分束镜16-1分为两束，分别是第一探测光10-1和第二探测光10-2。第一耦合光9-1和第一探测光10-1在第一太赫兹混频器20-1中将原子激发到里德堡态。第二耦合光9-2和第二探测光10-2在第二太赫兹混频器20-2中将原子激发到里德堡态。
47.本振信号13由第一太赫兹功分器17-1分为两路，分别为第一路本振信号13-1和第二路本振信号13-2，第二路本振信号13-2经太赫兹90
°
移相器18后，相位偏移90
°
，被测太赫兹波14由第二太赫兹功分器17-2分为两路，分别为第一路被测太赫兹波14-1和第二路被测太赫兹波14-2。
48.第一太赫兹合路器将第一路本振信号13-1和第一路被测太赫兹波14-1合成一路，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在第一探测光10-1经过第一太赫兹混频器20-1之后的光强上，被第一光电探测器12-1探测得到。
49.第二太赫兹合路器将相位偏移后的第二路本振信号13-2和第二路被测太赫兹波14-2合成一路，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在第二探测光10-2经过第二太赫兹混频器20-2之后的光强上，并被第二光电探测器12-2探测。
50.第一光电探测器12-1的输出为第一路本振信号13-1与第一路被测太赫兹波14-1的混频信号，即同相分量i。第二光电探测器12-2的输出为第二路本振信号13-2经过90
°
移相后与第二路被测太赫兹波14-2的混频信号，即正交分量q。采用现有的iq解调方法，即可获得被测太赫兹波的幅值和相位。
51.本实施例采用两个单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器进行超外差混频，在一次测量中直接获得被测太赫兹波的幅值和相位这两个最重要的物理量。
52.本发明提出了一种太赫兹波与里德堡原子气室耦合结构，相比于太赫兹波从自由空间照射到里德堡原子气室，该结构大幅提升耦合效率。在耦合结构的基础上实现里德堡原子太赫兹混频器，利用混频器实现太赫兹波的超外差探测。在提升探测灵敏度的同时，获得太赫兹电场强度和相位这两个最重要的物理量。
53.里德堡原子气室兼太赫兹波腔体是本发明的关键特征，其各个组成部分的结构、材料选择、以及组合成最终的腔体结构，同时起到了里德堡原子气室和太赫兹波腔体的作用。使被测太赫兹波（太赫兹波）与传感器（里德堡原子气体）完好的重合，大幅提升探测效率。
54.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或
部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者通过所述计算机可读存储介质进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，dvd)、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solid state disk，ssd))等。
55.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器，其特征在于，包括：信号输入法兰、信号输入波导、信号输入波导气室过度结构、里德堡原子气室兼太赫兹波腔体、太赫兹合路器、本振信号端法兰和被测信号端法兰；所述本振信号端法兰用于接入本振信号；所述被测信号端法兰用于接入被测太赫兹波；所述太赫兹合路器用于将所述本振信号和被测太赫兹波合成一路；所述信号输入法兰与太赫兹合路器连接，用于接入合成一路的本振信号和被测太赫兹波；所述信号输入波导与信号输入法兰连接，用于传输本振信号和被测太赫兹波；所述信号输入波导气室过度结构将所述本振信号和被测太赫兹波过度至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体，在密封腔体内形成稳定的太赫兹电磁场；所述里德堡原子气室兼太赫兹波腔体为具有透光窗口的空心密封腔体，其中充满碱金属原子气体，耦合光和探测光从所述透光窗口穿过。2.一种太赫兹混频探测系统，其特征在于，包括：二向色镜、光电探测器及如权利要求1所述的单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器；本振信号和被测太赫兹波在太赫兹合路器中合成一路，传输至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体，并在腔体内发生混频；所述二向色镜设置于耦合光入射进入透光窗口前的光路上，用于透射耦合光并反射从透光窗口射出的探测光；所述光电探测器正对所述二向色镜设置，用于测量被所述二向色镜反射的探测光的光强；所述光电探测器输出正弦波，正弦波的幅值正比于被测太赫兹波的幅值，正弦波的频率为本振信号和被测太赫兹波的频率差。3.根据权利要求2所述的太赫兹混频探测系统，其特征在于，太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中充入碱金属原子气体，探测光将碱金属原子从基态激发到中间态，耦合光将碱金属原子从中间态激发到里德堡态，所述里德堡态原子在本振信号和被测太赫兹波的作用下跃迁至相邻里德堡态。4.根据权利要求3所述的太赫兹混频探测系统，其特征在于，里德堡态决定了耦合光的波长，里德堡态与相邻里德堡态之间的能级差决定了被测太赫兹波的频率，根据被测太赫兹波的频率选择里德堡原子的主量子数，根据中间态和里德堡态的能级差选择耦合光的波长。5.一种太赫兹超外差探测系统，其特征在于，包括：第一太赫兹混频器，第二太赫兹混频器，第一反射镜，第二反射镜，第一分束镜，第二分束镜，第一太赫兹功分器，第二太赫兹功分器，太赫兹90
°
移相器，第一光电探测器和第二光电探测器；第一和第二太赫兹混频器为如权利要求1所述的单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器，第一和第二太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中充入碱金属原子气体；耦合光由第二分束镜分为第一耦合光和第二耦合光，探测光由第一分束镜分为第一探测光和第二探测光；第一耦合光和第一探测光在第一太赫兹混频器中将碱金属原子激发到里德堡态，第二耦合光和第二探测光在第二太赫兹混频器中将碱金属原子激发到里德堡态；
本振信号由第一太赫兹功分器分为第一路本振信号和第二路本振信号，第二路本振信号经太赫兹90
°
移相器后，相位偏移90
°
；被测太赫兹波由第二太赫兹功分器分为第一路被测太赫兹波和第二路被测太赫兹波；第一太赫兹合路器将第一路本振信号和第一路被测太赫兹波合成一路，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在第一探测光经过第一太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强上，并被第一光电探测器探测得到；第二太赫兹合路器将相位偏移后的第二路本振信号和第二路被测太赫兹波合成一路，在里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在第二探测光经过第二太赫兹混频器的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强上，并被第二光电探测器探测得到。6.根据权利要求5所述的太赫兹超外差探测系统，其特征在于，第一光电探测器的输出为第一探测光经过里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强，该光强是第一路本振信号与第一路被测太赫兹波的混频信号，为同相分量i；第二光电探测器的输出为第二探测光经过里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强，该光强是第二路本振信号经过90
°
移相后与第二路被测太赫兹波的混频信号，为正交分量q；采用iq解调方法，获得被测太赫兹波的幅值和相位。7.根据权利要求6所述的太赫兹超外差探测系统，其特征在于，第一和第二太赫兹混频器各自的里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中充入碱金属原子气体，第一和第二探测光分别将碱金属原子从基态激发到中间态，第一和第二耦合光分别将碱金属原子从中间态激发到里德堡态，所述里德堡态原子在本振信号和被测太赫兹波的作用下跃迁至相邻里德堡态。

技术总结
本发明提出了一种单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器及探测系统，涉及太赫兹波探测技术领域，将波导中的太赫兹波高效耦合至单侧输入型里德堡原子太赫兹混频器的里德堡原子气室，本振信号和被测太赫兹波传输至里德堡原子气室兼太赫兹波腔体中发生混频，混频结果体现在探测光经过里德堡原子气室兼太赫兹波腔体之后的光强上，并被光电探测器探测得到，实现太赫兹波的超外差探测，在提升探测灵敏度的同时，获得太赫兹电场强度和相位，为太赫兹技术的应用提供一种高效的探测手段。的应用提供一种高效的探测手段。的应用提供一种高效的探测手段。


技术研发人员：冯辉 武帅
受保护的技术使用者：中国科学技术大学
技术研发日：2023.09.04
技术公布日：2023/10/11