(57)【要約】電磁場を感知または測定するための方法および装置。本方法は、電磁場と同延の試験体積を占有するガスの原子のＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中への励起を伴う。電磁放射の少なくとも１つのプローブビームの試験体積を横断する経路に沿った伝送が、あるスペクトル特徴に重複する１つ以上の周波数において測定され、電磁場の物理的特性が、スペクトル特徴の変動に基づいて導出される。種々の実施形態では、電磁場は、別の電磁場と干渉関係に設置されてもよい。時変電場振幅、周波数、位相、および雑音スペクトル分布、したがって、ＡＭおよびＦＭ変調場ならびに約１テスラの磁場が、測定され得る。電磁場を測定するための装置は、プローブ場および検出器または検出器のアレイに一方的に結合され得る。
2021507271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電磁場を感知または測定するための方法であって、前記方法は、
ａ．Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に、少なくとも部分的に、前記第１の電磁場と同延の試験体積を占有するガスの原子を励起させるステップと、
ｂ．少なくとも１つの他の電磁場と干渉関係に設置することによって、前記第１の電磁場を構造化するステップと、
ｃ．前記原子ガスのスペクトル特徴に重複する１つ以上の周波数において、電磁放射の少なくとも１つのプローブビームの試験体積を横断する経路に沿って、伝送を測定するステップと、
ｄ．少なくとも、前記スペクトル特徴の変化に基づいて、前記第１の電磁場の物理的特性を導出するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記ガスは、原子蒸気である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記原子蒸気の原子は、ルビジウム、セシウム、アルカリ、およびアルカリ土類原子を含む原子の群から選定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるステップは、前記原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に光学的に励起させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるステップは、電磁波誘起透明化および電磁波誘起吸収のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記スペクトル特徴の変化は、Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ分裂を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の電磁場の物理的特性は、場振幅である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
第１の電磁場は、単色であり、前記第１の電磁場の物理的特性は、基準位相に対するその位相である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の単色電磁場の物理的特性は、非線形光学要素を使用して前記他の電磁場のうちの１つを変調するＲＦ場の基準点位相に対するその位相である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の電磁場を構造化するステップは、付加的静的または無線周波数場を重畳させ、前記第１の電磁場を原子遷移を伴う共鳴の中に設置するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の電磁場を構造化するステップは、測定するステップに先立って変調された第１の電磁場を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
変調は、周波数、振幅、およびステップ変調のうちの少なくとも１つである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の分布は、前記原子と無線周波数場との間の相互作用のための非ゼロ双極子モーメントを伴う少なくとも１つの対の状態を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
ａ．前記第１の電磁場内に存在するかまたはそれを構成するインコヒーレントＲＦ雑音場の存在下、所定のＲｙｄｂｅｒｇ原子エネルギーレベルまたはＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトルを計算するステップと、
ｂ．光を原子蒸気セルの中に伝搬するステップと、
ｃ．前記原子蒸気セルを通して伝搬される光を伴うスペクトル特徴を測定するステップと、
ｄ．合致されたスペクトルを識別するステップと、
ｅ．前記インコヒーレントＲＦ雑音場の属性を導出するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
ａ．強静的または低周波数磁場と同じ第１の電磁場内の原子に関する所定のＲｙｄｂｅｒｇ原子エネルギーレベルまたはスペクトルを計算するステップと、
ｂ．少なくとも１つの他の電磁場を光学プローブとして原子蒸気セルの中に伝搬するステップと、
ｃ．前記原子蒸気セルを通して伝搬される光のスペクトル特徴を測定するステップと、
ｄ．合致されたスペクトルを識別するステップと、
ｅ．前記強磁場の物理的性質を導出するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記光は、振幅または周波数変調される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
所定の原子エネルギーレベルまたはスペクトルは、Ｒｙｄｂｅｒｇ原子状態または低位原子状態に関するものである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
強磁場の小磁場変化は、１つ以上の原子同位体または種を使用して導出される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するためのモノリシックセンサであって、前記センサは、
ａ．エンクロージャ内に含有される原子蒸気と、
ｂ．前記原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起源と、
ｃ．プローブビームまたはより多くのビームを前記原子蒸気の中に結合するための少なくとも１つの導波管と、前記プローブビームと前記原子蒸気の相互作用後、前記プローブビームを収集するための同一または異なる導波管と
を備える、センサ。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの導波管は、光ファイバである、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２１】
少なくとも１つの導波管は、前記励起源および前記プローブビームからの両放射を前記原子蒸気の中に結合する、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２２】
前記エンクロージャは、誘電材料またはガラス蒸気セルを含む、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２３】
前記エンクロージャは、コンパートメント化される、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２４】
前記エンクロージャは、線形にコンパートメント化される、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２５】
前記エンクロージャは、面積でコンパートメント化される、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２６】
明確に異なるプローブビームは、コンパートメントのアレイのそれぞれの中に結合される、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２７】
前記明確に異なるプローブビームは、光学要素のアレイを介して、前記コンパートメントのアレイのそれぞれの中に結合される、請求項２６に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２８】
前記明確に異なるプローブビームは、前記原子蒸気との相互作用後に収集され、前記光学要素のアレイを介して、検出器要素に結合される、請求項２７に記載のモノリシックセンサ。
【請求項２９】
前記エンクロージャは、光吸収面を含み、さらに、温度調整器を備える、請求項１９に記載のモノリシックセンサ。
【請求項３０】
電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するための一方的に結合されるモノリシックセンサであって、前記一方的に結合されるモノリシックセンサは、
エンクロージャ内に含有される原子蒸気と、
前記原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起ビームを発生させるための励起源と、
前記励起ビームおよびプローブビームのうちの少なくとも１つ伝搬方向を前記原子蒸気の中に再指向するかまたはそこから再指向する少なくとも１つの光学構成要素と
を備える、一方的に結合されるモノリシックセンサ。
【請求項３１】
前記励起ビームおよび前記プローブビームは、略平行方向に、前記少なくとも１つの光学構成要素上に入射する、請求項３０に記載の一方的に結合されるモノリシックセンサ。
【請求項３２】
前記少なくとも１つの光学構成要素は、プリズムである、請求項３０に記載の一方的に結合されるモノリシックセンサ。
【請求項３３】
第１のプリズムは、前記励起ビームを前記原子蒸気の中に、前記プローブビームを前記原子蒸気から外に結合するために、再指向し、第２のプリズムは、前記プローブビームを前記原子蒸気の中に結合する、請求項３２に記載の一方的に結合されるモノリシックセンサ。
【請求項３４】
電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するためのセンサであって、前記センサは、
ａ．電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つと、
ｂ．前記調整材料または構造内に配置されるエンクロージャ内に含有される原子蒸気と、
ｃ．前記原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起源と、
ｄ．前記原子蒸気の横断後、プローブビームを検出し、検出器信号を発生させるための検出器と、
ｅ．少なくとも、前記検出器信号に基づいて、前記電磁場を特性評価するパラメータを導出するためのプロセッサと
を備える、センサ。
【請求項３５】
前記電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つは、ＲＦ共鳴器である、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項３６】
前記電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つは、前記電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つは、導波管である、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項３７】
前記電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つと、メタ材料である、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項３８】
前記電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つは、アンテナを含む、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項３９】
前記電磁場を調整するための材料および構造のうちの少なくとも１つは、１つ以上の電極である、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４０】
前記材料および構造のうちの少なくとも１つは、伝導性であり、電流または電圧を原子蒸気内の電磁場に変換することによって、電磁場を調整し、前記電流または電圧または抵抗を通る関連付けられたパワーは、前記検出器信号から導出される、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４１】
前記原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の中に励起させるための励起源は、１つ以上の光ビームを備え、電磁波誘起透明化または電磁波誘起吸収を前記原子蒸気内に確立する、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４２】
前記原子蒸気を含有するエンクロージャは、ガラス蒸気セルである、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４３】
前記電磁場を調整するための材料または構造は、前記原子蒸気エンクロージャに進入するかまたはそこから退出する電磁場のための周波数選択的フィルタまたは反射体を含む、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４４】
前記検出器は、前記原子蒸気の励起およびそこからの放出によって発生された電磁場を検出するために使用される、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４５】
前記電磁場は、定在電磁波および進行電磁波のうちの少なくとも１つと関連付けられる、請求項３４に記載のセンサ。
【請求項４６】
Ｒｙｄｂｅｒｇ原子を用いて電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するためのセンサであって、前記センサは、
ａ．誘電光吸収材料を含むエンクロージャ内に含有される原子蒸気と、
ｂ．前記誘電光吸収材料上に入射する加熱ビーム源と、
ｃ．前記原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起源と、
ｄ．前記原子蒸気の横断後、プローブビームを検出し、検出器信号を発生させるための検出器と、
ｅ．前記原子蒸気を特性評価する温度を調整するような様式において、前記加熱ビームを前記誘電光吸収材料に印加するためのプロセッサと
を備える、センサ。
【請求項４７】
前記誘電光吸収面は、フィルムである、請求項４６に記載のセンサ。
【請求項４８】
前記誘電光吸収面は、ポリマーである、請求項４６に記載のセンサ。
【請求項４９】
前記誘電光吸収面は、ガラスである、請求項４０に記載のセンサ。
【請求項５０】
エンクロージャ内に含有されるプラズマの領域内の電場を測定するための方法であって、前記方法は、
ａ．規定された種のトレーサ粒子を前記プラズマの中に組み込むステップと、
ｂ．前記トレーサ粒子を規定されたＲｙｄｂｅｒｇ状態の中に励起させるステップと、
ｃ．少なくともプローブビームおよびカプラビームを印加し、前記プラズマ内のトレーサ粒子のＥＩＴ伝送スペクトルを導出するステップと、
ｄ．前記プラズマのＥＩＴ伝送スペクトルとスペクトルモデルを比較し、場誘起スペクトル形状変化および場誘起スペクトル偏移のうちの少なくとも１つに基づいて、前記プラズマの領域を伴う電場を推定するステップと
を含む、方法。
【請求項５１】
磁場またはＲＦ場を前記プラズマに印加するステップをさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記トレーサ粒子は、原子である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
前記トレーサ粒子は、ルビジウム原子である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
前記トレーサ粒子を冷却原子源から発生させるステップをさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５５】
前記推定される電場は、電場の分布である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５６】
前記推定される電場は、１、２、または３次元で入手される、請求項５０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部分的に、米国国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）および米国陸軍によって付与された契約番号第Ｗ９１１ＮＦ−１７−Ｃ−０００７号下の政府支援を受けて行われた。政府は、本発明のいくつかの側面における権利を有し得る。
【０００２】
本願は、２０１７年１２月１８日に出願された、米国仮出願第６２／６０７，０３４号、および２０１８年９月６日に出願された、米国仮出願第６２／７２７，７６４号の優先権を主張する。前述の用途は両方とも、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本発明は、原子ベースの場感知要素および測定システムならびに方法に関し、より具体的には、Ｒｙｄｂｅｒｇ原子を採用し、ＲＦ場振幅、偏光、または位相、変調ＲＦ信号、インコヒーレントＲＦまたはＲＦ雑音を測定、受信、または撮像し、連続周波数ＲＦ場検出を実施する、要素、システム、および方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
高位Ｒｙｄｂｅｒｇ状態（高主量子数、典型的には、ｎ＞２０によって特徴付けられる）における準自由電子を伴う原子は、それぞれ、約ｎ７および約ｎ２としての主量子数ｎに対応する、大偏光率および電気双極子モーメントを呈し、それらを電場に極めて敏感にする。本書の慣例によると、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態ではない、原子の状態は、本明細書では、「低位状態」と称され得る。
【０００５】
原子蒸気内のＲｙｄｂｅｒｇ状態の分光応答を電場の測定に適用する概念は、少なくとも、Ｍｏｈａｐａｔｒａ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｒｙｄｂｅｒｇ  Ｓｔａｔｅｓ  ｕｓｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．９８，１１３００３（２００７年）（参照することによって本明細書に組み込まれる）以降、公知となっている。原子ベースの場感知に関連する以前の研究（全て先行技術に見られる）は、Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第９，９７０，９７３号（以降、「Ａｎｄｅｒｓｏｎの第９７３特許」）（参照することによって本明細書に組み込まれ、本明細書に参照として引用される）の主題である。より具体的には、Ｆｌｏｑｕｅｔ法が、例えば、Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  ｓｔｒｏｎｇ−ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  ａ  ｒｏｏｍ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｒｙｄｂｅｒｇ−ａｔｏｍ  ｇａｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ，ｖｏｌ．９０，０４３４１９（２０１４）（参照することによって本明細書に組み込まれる）に示されるように、蒸気セル実験におけるＲｙｄｂｅｒｇ原子マイクロ波スペクトルをモデル化するための好適な手段として以前に確立されている。
【０００６】
電磁波誘起透明化（ＥＩＴ）は、３つのレベル原子系内の２つの励起経路が、プローブレーザビームに破壊的に干渉し、その伝送の増加を生産する、量子干渉プロセスである。例えば、図８Ｂに描写される、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴカスケードスキームでは、透明化は、基底およびＲｙｄｂｅｒｇ状態のコヒーレント重畳によって形成される。Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴは、冷却原子ガスおよび室温蒸気セルの両方内に実装される。これは、Ｒｙｄｂｅｒｇスペクトル、量子情報処理、ならびに弱および強マイクロ波電場の両方の測定のための非破壊光学検出技法として広く使用されている。蒸気セル内の電極を使用したＲｙｄｂｅｒｇレベルのＡＣ  Ｓｔａｒｋシフトは、Ｂａｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｒｆ−ｄｒｅｓｓｅｄ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  ｄａｒｋ  ｓｔａｔｅｓ」Ｎｅｗ  Ｊ．Ｐｈｙｓ．，ｖｏｌ．１２，０６５０１５（２０１０年）（参照することによって本明細書に組み込まれる）によって議論されている。
【０００７】
用語は、本明細書で使用されるように、単語「センサ」は、物理的量を検出または測定する、任意のデバイスを指すものとし、センサおよびセンサと併用されるコントローラまたはプロセッサへまたはそこからの電気または電磁エネルギーを結合する、配線または導波管を除外し得る。用語「モノリシックセンサ」は、本用語が本明細書で使用されるように、その全体が単一基板上に具現化され得る、またはその構成要素が恒久的に接続され、単一の物理的デバイスを形成する、センサを指す。接続の実施例は、マイクロ加工、融合、アノード接合、および糊着を含む。本明細書の発明者らの知る限り、モノリシックＲｙｄｂｅｒｇセンサは、これまで提案されていない。
【０００８】
Ｒｙｄｂｅｒｇ分光法の方法は、これまで提案されていないが、しかしながら、これまでは、電磁場の位相（基準点となる位相基準に対して）を測定するために好適であった。その欠落を埋めるため、とりわけ、下記に説明される本発明の実施形態は、対処される。
【０００９】
実践的原子ベースのＲＦ感知、測定、または撮像デバイスを実現するために、好適な感知要素が、要求される。以前の研究において説明または提案されている、全ての先行技術感知要素は、本発明による下記に説明される洞察によって克服された、物理的原理によって課される限界を有する。先行技術感知要素は、例えば、Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  ｓｔｒｏｎｇ  ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ｆｉｅｌｄｓ  ｗｉｔｈ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  ａｔｏｍｓ  ｉｎ  ａ  ｖａｐｏｒ  ｃｅｌｌ」ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１６０１．０２５３５．ｐｄｆ（２０１６年１月１１日）（参照することによって本明細書に組み込まれる）によって教示されている。
【００１０】
原子ベースの電磁場感知の他の教示は、Ｇｏｒｄｏｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  Ｗａｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｖｉａ  Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ  Ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｉｎ  Ｒｕｂｉｄｉｕｍ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  Ａｔｏｍｓ」ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１４０６．２９３６．ｐｄｆ（２０１４年６月１１日）、およびＳｉｍｏｎｓ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｕｓｉｎｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｅｔｕｎｉｎｇ  ｔｏ  ｉｍｐｒｏｖｅ  ｔｈｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｖｉａ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ  ａｎｄ  Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｉｎ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  ａｔｏｍｓ」Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１０８，１７４１０１（２０１６年）（両刊行物もまた、参照することによって本明細書に組み込まれる）に見出され得る。
【００１１】
既存のＲｙｄｂｅｒｇの電磁波誘起透明化（ＥＩＴ）技法の性能限界は、以下を含む。
【００１２】
（１）低感度；１ｍＶ／ｍレベルにおいて現在までに実証されている最高場感度は、主に、ＥＩＴ線幅によって限定される。さらに、本感度レベルは、ＥＩＴピーク線形状の小変化を監視することによってのみ達成されている。場が基本定数および不変原子パラメータに対してトレース可能である、Ｒｙｄｂｅｒｇエネルギーレベル分裂を直接測定することと異なり、ＲＦ電場を詳細なＥＩＴ線形状分析から抽出することは、レーザビームパワーおよび蒸気圧力等の実験パラメータに依存する、比較的に複雑なモデルを要求し、それによって、絶対場測定を不可能にし、それを日々の動作において信頼性のないものにする。これまで、先行技術における最も敏感な測定感度である、約３μＶ／ｃｍ／Ｈｚ１／２のショット雑音制限感度が、Ｋμｍａｒ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｒｙｄｂｅｒｇ−ａｔｏｍ  ｂａｓｅｄ  ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ｕｓｉｎｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｒｏｏｍ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｖａｐｏｒ  ｃｅｌｌｓ」Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，ｖｏｌ．２５，２８４２６３（２０１７年１月２１日）の研究において実証されており、その感度の大きさの約半分の改良が、これまで、Ｆａｎ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｖａｐｏｒ  Ｃｅｌｌ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ  ｏｎ  Ｒｙｄｂｅｒｇ−Ａｔｏｍ−Ｂａｓｅｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｏｆ  Ｒａｄｉｏ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａｐｐｌ．，０４４０１５（２０１５年）において報告されている（両論文とも、参照することによって本明細書に組み込まれる）。後者の研究は、微細な変化がレーザパワーおよびセル圧力等の多くの詳細に依存するため、日々の場測定動作において、幾分、信頼性がないことが予期される方法である、弱共鳴ＲＦ場によるＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ線の微細なＲＦ誘起ＥＩＴ増強を採用している。感度を増強させるためのよりロバストな手段が、所望される。
【００１３】
（２）連続周波数範囲にわたってＲＦ場を測定することができない。弱ＲＦ場では、本方法は、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態間の双極子許容遷移で共鳴する、ＲＦ場の測定に限定される。任意の遷移からのオフおよび遠共鳴である、弱ＲＦ場は、全くではないにしても、容易に測定されることができない。
【００１４】
（３）ＲＦ偏光測定は、現在、原子スペクトルの複雑な分析を要求する。
【００１５】
（４）全ての先行技術Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ測定は、必然的に、場振幅測定となっている一方、ＲＦ場の位相に関する情報は、本明細書で議論される物理的制約のため、部分的に取得することが可能となっていない。
【００１６】
（５）Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ測定のために今日使用されている測定装置の形状因子は、必然的に、大構成要素である、可搬性ではない、すなわち、大誘電占有面積を有する、アセンブリを要求しており、それによって、多くの実践的用途において測定を実施する能力、または既存のＲＦ測定および伝送システムの中に統合されることを不可能にしている。
【００１７】
（６）本明細書の下記に説明される本発明以前は、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ技法は、コヒーレント場の測定のためのみの役割を果たしてきた。以前の方法は、インコヒーレント場または雑音のいずれかを測定することが不可能であった。
【００１８】
蒸気セル内でＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴを採用する、ＲＦ測定方法は、典型的には、原子蒸気を通したレーザビームの対向伝搬を採用し、熱原子サンプル内の分光レーザビームのドップラー偏移を考慮する。本側面は、これまで、レーザビームがセルに進入し、自由空間伝搬またはセルの両側上の光ファイバのいずれかを介して、両側から退出することを要求するため、適用のための実践的センサ設計における蒸気セル内のＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴの実践に課題を呈してきた。これは、測定用途のために望ましくない大誘電占有面積およびサイズを伴う、センサヘッドにつながり得る。さらに、マルチピクセルセンサアレイに拡張するために、セルの両側からの光学ビームの進入は、アレイ内で達成可能なピクセル充塞密度および分解能を限定し得る。
【００１９】
蒸気セルの中への片側光学結合が、例えば、Ｇｅｏｒｇｅ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｐｕｌｓｅｄ  ｈｉｇｈ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｖｉａ  ａ  Ｒｕｂｉｄｉｕｍ  Ｖａｐｏｒ  Ｓｅｎｓｏｒ」ｈｔｔｐｓ：／／ａｒｘｉｖ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／１７０４．００００４．ｐｄｆ（２０１７年３月３１日）（参照することによって本明細書に組み込まれる）による原子磁力計の文脈において議論されているが、別個のファイバが、そこでは、入力および出力ビームならびに同一または類似波長のビームのために採用されている。さらに、先行技術では、プローブビームは、常時、蒸気セルの片側に進入し、異なる側から退出する。
【００２０】
観測可能な宇宙における問題の大部分は、プラズマ状態下に存在するが、プラズマの領域内の電場の特性の測定または推定は、プラズマの集団運動が観察され得ない限り、または物理的プローブがプラズマの中に挿入され得ない限り、特定の課題を科学に呈する。前者の技法の実施例は、ポロイダル回転速度から推定される、トカマク内の半径方向電場の推定である。これらのプロービングモダリティのいずれも不在の場合、原子プローブが使用される、ある仮定が立てられる必要がある。例えば、Ｐａｒｉｓ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｒａｔｉｏ  ｏｆ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｂａｎｄｓ  ｏｆ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ａｓ  ａ  ｍｅａｓｕｒｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ  ｉｎ  ｐｌａｓｍａｓ」Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ，ｖｏｌ．３８，ｐｐ．３８９４−９９（２００５年）（参照することによって本明細書に組み込まれる）によって議論されるように、窒素のスペクトル帯域の強度比が使用される場合、計算は、窒素分子が、主として、直接、電子衝突によって、基底状態から励起されることを要求する。
【００２１】
これまで、プラズマ場の測定のための光学診断技法は、主に、放出および吸収分光法、レーザ誘起蛍光、ならびにＲａｍａｎ分光法を用いた、プラズマ分子内のＳｔａｒｋシフトの測定を伴っている。既存の方法は、受動的非貫入型測定をもたらすが、それらはまた、プラズマ成分の光学吸収または放出スペクトルの先験的に知識を要求し得る。これは、診断読取において、成分プラズマ粒子を伴う少数多体系プロセスから、着目集団プラズマ現象を区別することを困難にし得る。また、プラズマタイプ研究対象に特有の診断ツールのカスタム化を要求し、診断を異なるプラズマシステム上で実施することが可能な一般化された技法を不可能にする。このように、いくつかのプラズマは、従来の検出器および分光計を使用して検出することが困難である周波数および放出強度における放出プロファイルを有することが予期される。プラズマ成分内の振動遷移からの弱ＩＲ放出は、例えば、いくつかの事例では、有用な情報を提供し得るが、これらの低ＩＲ強度レベルを測定するために要求される検出器は、容易に利用可能ではない。これらの制限に起因して、適用は、プラズマが、良好に特性評価される光学診断を実装するためのある原子／イオン粒子を用いてエンジニアリングされることを要求し得る。これは、有意な短所を基本プラズマ研究に呈し得、プラズマの性質自体が、研究の対象となる。
【００２２】
前述の種類の先験的知識が、常時、利用可能ではない限り、科学は、プラズマ内の電場の遠隔測定のためのより汎用的モダリティを待つことになる。そのようなモダリティは、本発明のある実施形態に従って下記に詳細に説明される。
【００２３】
１〜１００テスラ範囲内の強磁場の高分解能感知、測定、および較正のためのプローブは、種々の産業における強磁石システムの研究および開発、生産、ならびに保守において、ますます重要になりつつある。しかしながら、そのような場の測定のための原子蒸気またはＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴシステムは、提供されておらず、初めて、下記に説明される本発明を用いて可能にされる。以前に実践されたようなＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ分析による超微細レベルのＺｅｅｍａｎ分裂を使用して、Ｒｙｄｂｅｒｇ原子のモデルに基づいて測定され得る、最大磁場強度は、最大で約１０３ガウスである。より強い磁場の測定は、本発明に従って本明細書に説明されるように、新しい方略を要求する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明のある実施形態によると、第１の電磁場を感知または測定するための方法が、提供される。本方法は、
Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に、少なくとも部分的に、第１の電磁場と同延の試験体積を占有するガスの原子を励起させるステップと、
少なくとも１つの他の電磁場と干渉関係に設置することによって、第１の電磁場を構造化するステップと、
原子ガスのスペクトル特徴に重複する１つ以上の周波数において、電磁放射の少なくとも１つのプローブビームの試験体積を横断する経路に沿って、伝送を測定するステップと、
少なくとも、スペクトル特徴の変化に基づいて、第１の電磁場の物理的特性を導出するステップと、
を有する。
【００２５】
本発明の他の実施形態によると、ガスは、原子蒸気であってもよく、原子蒸気の原子は、ルビジウム、セシウム、および他のアルカリを含む、原子の群から選定されてもよい。原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるステップは、原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に光学的に励起させるステップならびに電磁波誘起透明化および電磁波誘起吸収のうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【００２６】
本発明のさらなる実施形態によると、スペクトル特徴の変化は、Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ分裂を含んでもよく、第１の電磁場の物理的特性は、場振幅であってもよい。
【００２７】
第１の電磁場は、単色であってもよく、第１の電磁の物理的特性は、基準位相に対するその位相であってもよい。
【００２８】
本発明の他の実施形態によると、第１の電磁場を構造化するステップは、測定するステップに先立って、電磁場の変調を含んでもよい。変調は、周波数、振幅、およびステップ変調のうちの少なくとも１つであってもよい。
【００２９】
本発明のさらに別の実施形態によると、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の分布は、原子と無線周波数場との間の相互作用のための非ゼロ双極子モーメントを伴う少なくとも１つの対の状態を含んでもよい。
【００３０】
本発明のなおもさらなる実施形態によると、
第１の電磁場内に存在する、またはそれを構成する、インコヒーレントＲＦ雑音場の存在下、所定のＲｙｄｂｅｒｇ原子エネルギーレベルまたはＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトルを計算するステップと、
光を原子蒸気セルの中に伝搬するステップと、
原子蒸気セルを通して伝搬される光を伴うスペクトル特徴を測定するステップと、
合致されたスペクトルを識別するステップと、
インコヒーレントＲＦ雑音場の属性を導出するステップと、
の付加的ステップが存在してもよい。
【００３１】
本発明の別の実施形態によると、
強静的または低周波数磁場と同じ第１の電磁場内の原子に関する所定の原子エネルギーレベルまたはスペクトルを計算するステップと、
少なくとも１つの他の電磁場を光学プローブとして原子蒸気セルの中に伝搬するステップと、
原子蒸気セルを通して伝搬される光のスペクトル特徴を測定するステップと、
合致されたスペクトルを識別するステップと、
強磁場の物理的性質を導出するステップと、
の付加的ステップが存在してもよい。
【００３２】
光は、変調周波数または複数のその周波数におけるロックイン検出と併せて、振幅または周波数変調されてもよく、所定の原子エネルギーレベルまたはスペクトルは、低位原子状態のためのものであってもよい。
【００３３】
本発明の別の側面によると、電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するためのモノリシックセンサが、提供される。センサは、エンクロージャ内に含有される、原子蒸気と、原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起源と、プローブビームまたはより多くのビームを原子蒸気の中に結合し、プローブビームと原子蒸気の相互作用後、プローブビームを収集するための少なくとも１つの導波管とを有する。
【００３４】
本発明の他の実施形態によると、少なくとも１つの導波管は、光ファイバであってもよい。少なくとも１つの導波管のうちの少なくとも１つは、励起源およびプローブビームの両方からの放射を原子蒸気の中に結合してもよい。エンクロージャは、誘電材料またはガラス蒸気セルを含んでもよい。エンクロージャは、コンパートメント化されてもよく、より具体的には、線形に、または面積で、コンパートメント化されてもよい。
【００３５】
さらなる実施形態では、明確に異なるプローブビームは、光学要素のアレイ等を介して、コンパートメントのアレイのそれぞれの中に結合されてもよく、原子蒸気との相互作用後に収集され、光学要素のアレイを介して、検出器要素に結合されてもよい。エンクロージャは、吸光表面を含んでもよく、また、温度調整器を有してもよい。
【００３６】
本発明のさらなる側面によると、電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するための一方的に結合されるモノリシックセンサが、提供される。一方的に結合されるモノリシックセンサは、誘電エンクロージャ内に含有される、原子蒸気と、原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起ビームを発生させるための励起源とを有する。加えて、一方的に結合されるモノリシックセンサは、励起ビームを原子蒸気の中に結合し、プローブビームを原子蒸気から外に結合するための第１のプリズムと、プローブビームを原子蒸気の中に結合するための第２のプリズムとを有する。励起ビームおよびプローブビームは、略平行方向に、個別の第１および第２のプリズム上に入射してもよい。
【００３７】
本発明のなおもさらなる側面によると、電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するためのセンサが、提供される。センサは、電磁場を調整するための材料または構造のうちの少なくとも１つと、調整材料または構造内に配置されるエンクロージャ内に含有される、原子蒸気とを有する。センサはまた、原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起源と、原子蒸気の横断後、プローブビームを検出し、検出器信号を発生させるための検出器と、少なくとも、検出器信号に基づいて、電磁場を特性評価するパラメータを導出するためのプロセッサとを有する。
【００３８】
他の実施形態では、電磁場を調整するための材料または構造は、ＲＦ共鳴器または導波管であってもよい。また、メタ材料であってもよい。
【００３９】
電磁場を調整するための材料または構造は、アンテナまたは１つ以上の電極を含んでもよい。材料または構造は、伝導性であってもよく、原子蒸気セル内の電磁場への電流または電圧信号の変換によって、電磁場を調製してもよい。電流または電圧信号の属性は、検出器信号から導出されてもよい。
【００４０】
本発明の他の実施形態では、原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の中に励起させるための励起源は、１つ以上の光ビームを有し、電磁波誘起透明化または電磁波誘起吸収を原子蒸気内に確立してもよい。原子蒸気を含有するエンクロージャは、ガラス蒸気セルであってもよい。
【００４１】
本発明のさらに他の実施形態では、電磁場を調整するための材料または構造は、原子蒸気エンクロージャに進入する、またはそこから退出する、電磁場のためのフィルタまたは反射体を含んでもよい。検出器は、原子蒸気の励起およびそこからの放出によって発生された電磁場を検出するために使用されてもよい。電磁場は、定在電磁波および進行電磁波のうちの少なくとも１つと関連付けられてもよい。
【００４２】
本発明の別の側面によると、電磁場を特性評価するパラメータを検出および／または測定するためのセンサが、提供される。センサは、エンクロージャ内に含有される、原子蒸気を有し、これは、ひいては、光吸収面を有する。センサはまた、光吸収面上に入射する加熱ビーム源と、原子蒸気の原子をＲｙｄｂｅｒｇ状態の分布の中に励起させるための励起源とを有する。センサはまた、原子蒸気の横断後、プローブビームを検出し、検出器信号を発生させるための検出器と、原子蒸気を特性評価する温度を調整するような様式において、加熱ビームを光吸収面に印加するためのプロセッサとを有する。
【００４３】
本発明のさらなる実施形態では、光吸収面は、フィルム、ポリマー、またはガラスであってもよい。
【００４４】
本発明の別の側面によると、エンクロージャ内に含有されるプラズマの領域内の電場を測定するための方法が、提供される。本方法は、
規定された種のトレーサ粒子をプラズマの中に組み込むステップと、
トレーサ粒子を規定されたＲｙｄｂｅｒｇ状態の中に励起させるステップと、
少なくともプローブビームおよびカプラビームを印加し、プラズマのＥＩＴ伝送スペクトルを導出するステップと、
プラズマのＥＩＴ伝送スペクトルとスペクトルモデルを比較し、場誘起スペクトル形状変化および場誘起スペクトル偏移のうちの少なくとも１つに基づいて、プラズマの領域を伴う電場を推定するステップと、
を有する。
【００４５】
本発明のさらなる実施形態によると、本方法は、磁場またはＲＦ場をプラズマに印加するさらなるステップを有してもよい。トレーサ粒子は、より具体的には、ルビジウム原子を含む、原子であってもよい。本方法はまた、トレーサ粒子を冷却原子源から発生させるステップを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
本発明の前述の特徴は、付随の図面を参照して検討される、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より容易に理解されるであろう。
【００４７】
【図１】図１は、本発明のある実施形態による、片側が光学的に結合されたＲＦ感知要素を図式的に描写する。
【００４８】
【図２Ａ】図２Ａは、本発明のある実施形態による、ペン状再帰ＥＩＴ構成を使用して取得される、８７Ｒｂの３０Ｄ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態のＥＩＴスペクトルを示す。
【００４９】
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明のある実施形態による、その中に励起およびプローブビームがプリズムを介して蒸気セルに結合される、片側原子蒸気センサを示す。
【００５０】
【図３】図３は、本発明のある実施形態による、単一側が結合された個々の蒸気セルセンサ要素から成る、マイクロ波撮像アレイを示す。
【００５１】
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のある実施形態による、いくつかの周波数に関する、１２５μｍ直径の先端の軸に沿ったＲＦ場増強係数の計算を示す。図４Ｂは、伝導性先端と関連付けられた表皮深さを示す。
【図４Ｂ】図４Ａは、本発明のある実施形態による、いくつかの周波数に関する、１２５μｍ直径の先端の軸に沿ったＲＦ場増強係数の計算を示す。図４Ｂは、伝導性先端と関連付けられた表皮深さを示す。
【００５２】
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、本発明のある実施形態による、ハイブリッド式原子キャビティ構造のタイプを示す。
【００５３】
【図６】図６は、１Ｖ／ｍの近共鳴４ＧＨｚ入射ＲＦ場に関する図５Ａ−５Ｂに示されるハイブリッド式原子キャビティ構造内の電場の計算を示す。
【００５４】
【図７】図７Ａ−７Ｄは、本発明のある実施形態による、ハイブリッド式原子共鳴器デバイスを示す。図７Ａは、分光セルの内側の共鳴器電極／キャビティを示し、図７Ｂは、電極整合および安定化のためのセラミックピンを示す、共鳴器の上面図であって、図７Ｃは、ガラススペーサおよび間隙が示される、共鳴器の側面図であって、図７Ｄは、外部電圧／電流制御のための、または電極を接地／短絡させるために接続される、ワイヤ導線を伴う、ルビジウム蒸気セルの内側の共鳴器電極／キャビティ構造を示す。
【００５５】
【図８】図８Ａは、本発明のある実施形態による、場特性の測定のための実験設定を示す一方、図８Ｂは、関連Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴエネルギーレベル略図を示す。
【００５６】
【図９】図９Ａ−９Ｄは、本発明のある実施形態による、ハイブリッド式原子キャビティ場増強を実証する。図９Ａは、固定−１０ｄＢｍ注入パワーにおけるＲＦ／マイクロ波周波数の関数として測定された、３１Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトルをプロットする。図９Ｂは、印加される二乗平均平方根電場ＥＲＭＳに関する３１Ｓ１／２  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態を中心として計算されたＳｔａｒｋマップをプロットする。図９Ｃは、マイクロ波ＥＲＭＳ対図９Ａおよび９Ｂを使用して取得された周波数をプロットする一方、図９Ｄは、それぞれ、２．５および４．３５ＧＨｚマイクロ波に関して測定されたＥＩＴ線をプロットする。
【００５７】
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、本発明のある実施形態による導波管の内部の原子蒸気セルを伴う、場測定システムの側面および端面図を示す。
【００５８】
【図１１】図１１Ａは、垂直軸に対する異なる角度位置Θに関する固定注入パワーにおいて印加されるマイクロ波周波数の関数として、実験３１Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  ＡＣ−Ｓｔａｒｋシフトを示す。図１１Ｂは、図１１Ａに示されるデータに関するΘの関数として、４．３５ＧＨｚにおけるマイクロ波電場をプロットする。
【００５９】
【図１２】図１２Ａは、本発明のある実施形態による、電場振幅の計算の結果を示し、図１２Ｂ−１２Ｄは、図７Ａ−７Ｄのハイブリッド式原子キャビティ構造内の電場ベクトル方向である。
【００６０】
【図１３】図１３Ａおよび１３Ｂは、それぞれ、印加されるＤＣ電場に関する３０Ｄ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の実験および計算されたＤＣ  Ｓｔａｒｋマップを示す。
【００６１】
【図１４】図１４は、１００ＭＨｚＲＦ場内のルビジウム４７Ｓおよび４７ＰレベルのＡＣ−ＳｔａｒｋシフトのＦｌｏｑｕｅｔ計算を描写する。
【００６２】
【図１５】図１５は、ルビジウム４７Ｓ状態に関するＲＦ強度および電場較正をプロットする。
【００６３】
【図１６】図１６は、４つの異なる注入ＲＦパワーに関する、固定−１４ｄＢＩマイクロ波強度（別個の較正）における４７Ｓ状態の測定されたＥＩＴスペクトル対３７．５１６６３４９２ＧＨｚからのマイクロ波周波数離調をプロットする。
【００６４】
【図１７】図１７は、約２００Ｖ／ｃｍまでの一連の値に関する印加されるＲＦ電場の関数として、測定された擬交差の中心をプロットする。
【００６５】
【図１８Ａ】図１８Ａは、印加される周波数の関数としての、１Ｖ／ｍ入射場に関する４つの異なるスプリットリングキャビティ構造の内側に発生された、シミュレートされた電場を示す。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明のある実施形態による、スプリットリングキャビティ構造の間隙内の測定チャネルを図示する。
【図１８Ｃ】図１８Ｃおよび１８Ｄは、１００ＧＨｚの近傍の共鳴につながる幾何学形状を伴うスプリットリング共鳴器に関する、シミュレートされた共鳴曲線を示す。
【図１８Ｄ】図１８Ｃおよび１８Ｄは、１００ＧＨｚの近傍の共鳴につながる幾何学形状を伴うスプリットリング共鳴器に関する、シミュレートされた共鳴曲線を示す。
【００６６】
【図１９】図１９Ａおよび１９Ｂは、４ｍｍ内径原子蒸気セル１９０３を包囲する、ＩＲ−ガラスカプセル１９０１を示す。図１９Ｃは、全光型加熱試験プラットフォームを示す。
【００６７】
【図２０】図２０Ａは、本発明のある実施形態による、ＲＦ電場の位相敏感測定のための感知要素後端および動作原理を図式的に描写する。図２０Ｂは、位相敏感ＲＦ電場測定において使用される、量子機械的レベルスキームおよび光学／ＲＦ励起経路を描写する。
【００６８】
【図２１】図２１は、本発明のある実施形態による、初めて可能となった、磁場の属性のＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ測定におけるステップを描写する、フローチャートである。
【００６９】
【図２２】図２２は、本発明のある実施形態による、初めて可能となった、規定されたスペクトル範囲にわたるＲＦ雑音の属性のＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ測定におけるステップを描写する、フローチャートである。
【００７０】
【図２３】図２３Ａ−２３Ｃは、本発明のある実施形態による、Ｒｙｄｂｅｒｇ原子トレーサのＥＩＴを採用する、プラズマ内のプロービング電磁場を図式的に描写する。
【００７１】
【図２４】図２４Ａ−２４Ｃは、本発明のある実施形態による、２レベルＲｙｄｂｅｒｇ量子システムの飽和吸収分光法を使用した強磁場の測定を図式的に描写する。
【００７２】
【図２５】図２５Ａ−２５Ｃは、本発明のある実施形態による、３レベルＲｙｄｂｅｒｇ量子システムの飽和吸収分光法を使用した強磁場の測定を図式的に描写する。
【００７３】
【図２６】図２６Ａは、本発明のある実施形態による、ハイブリッド式の原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器およびセンサを図式的に描写し、図２６Ｂは、変換器およびセンサの電極を横断して印加される電圧の種々のレベルにおいて取得される信号のプロットを示す。
【００７４】
【図２７】図２７Ａは、本発明のある実施形態による、電磁波の波長選択的伝送のための対向窓を伴う、原子蒸気セルコンパートメントを図式的に描写する。図２７Ｂは、図２７Ａの原子蒸気セルコンパートメントの画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
定義：以下の用語は、文脈によって決定付けられない限り、示される意味を有するものとする。
【００７６】
本発明のある実施形態は、本明細書では、同義的に、「感知要素」、「場感知要素」、および「センサ」とも称され得る、原子ベースの場感知要素に関する。
【００７７】
「調整」は、本明細書および任意の添付の請求項では、電磁場、もしくはそのモード、電場振幅、偏光、周波数、位相、およびスペクトル成分を含む、ＥＭ場の物理的属性の閉じ込め、誘導、操作、またはフィルタリングを指す。
【００７８】
用語「増強」は、電磁波を指すとき、電磁波の任意の物理的属性の値を増加させるような様式におけるその電磁波の調整として定義されるものとする。
【００７９】
「短調場」は、中心周波数の１％以下の周波数の範囲によって特徴付けられる、静的場または電磁場のいずれかを指すものとする。
【００８０】
電磁場は、単色場であって、少なくとも１つの他の電磁場と干渉関係にある場合かつその場合のみ、「構造化」と称されるものとする。したがって、電磁場を「構造化」することは、場を１つ以上の他の電磁場との干渉関係に設置することである。
【００８１】
原子ベースの場感知要素は、本明細書では、ＲＦ場を調整するように作用する、少なくとも１つの材料または構造を含有する場合かつその場合のみ、「統合化」と称されるものとし、用語「調整」は、上記に定義される通りである。調整される、ＲＦ場は、本明細書では、「着目ＲＦ場」と称され得る。
【００８２】
本明細書で使用されるように、単語「分布」は、連続または離散であるかどうかにかかわらず、集合を参照するとき、単一要素の場合を含むものとする。したがって、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態間の原子集団の分布は、例えば、単一状態も同様に包含する。
【００８３】
本明細書で使用されるように、その用語が、本明細書では、周波数νの任意の関数を指す、スペクトルでは、「スペクトル特徴」は、定義された連続的周波数サブドメインにわたるその関数の挙動を指すものとし、サブドメインの境界における関数の値は、関数の極小値または極大値を構成する。
【００８４】
スペクトル特徴の「分裂」は、機能物理的効果に起因する関数の極大値の減少を指すものとし、元の極大値のものを上回る周波数におけるものと、元の極大値のものを下回る周波数におけるものとの２つの新しい極大値の出現を生じさせる。用語「分裂」はまた、文脈上適切である場合、元の極大値の代わりに出現する、新しい極大値の軌跡間の周波数の差異を指し得る。
【００８５】
用語「電磁場」は、ＤＣおよびＡＣ場の両方を包含する。
【００８６】
「ＲＦ」は、本明細書では同義的に、「マイクロ波」、「ミリメートル−波」、「テラヘルツ」、またはＤＣ超〜ＴＨｚの周波数を伴う任意の電磁放射を指し得る。
【００８７】
磁場は、約１０−３テスラ（１０Ｇ）を超える場合、「強」と指定されるものとし、その時点で、磁場によって分解される、いくつかの原子超微細レベルのｍ−縮退が、弱場（線形Ｚｅｅｍａｎ）領域からＰａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ領域への遷移を開始する。
【００８８】
「電磁波誘起透明化」（ＥＩＴ）は、光学システムの（少なくとも）３つの状態と相互作用するように同調されたコヒーレント光学場が、媒体中のそうでなければ吸収性の量子遷移に対応する波長において透明化を生じさせる、物理的現象学を指す。ＥＩＴの物理学および専門用語は、Ｍａｒａｎｇｏｓの「Ｔｏｐｉｃａｌ  ｒｅｖｉｅｗ：  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ」Ｊ．Ｍｏｄ．Ｏｐｔ．，ｖｏｌ．４５，ｐｐ．４７１−５０３（１９９８年）（参照することによって本明細書に組み込まれる）によって考察されている。
【００８９】
「誘電」は、本用語が本明細書で使用されるように、伝導を伴わずに電気力を伝送する、材料または物質、すなわち、絶縁体として定義される。
原子ベースの電磁場感知要素および測定システム
【００９０】
本発明のある実施形態によると、片側が光学的に結合されたＲＦ感知要素（別様に、本明細書では、「センサ」および「ペン状構成」とも称される）が、提供され、概して、数字１００によって指定され、図１を参照して説明される。図１に描写されるペン状線形センサ設計は、別様に、本明細書では、「蒸気セル」または「原子蒸気セル」とも称される、エンクロージャ１０６内に含有される、蒸気セル体積１０８の中に、およびそこから外に、要求されるレーザビーム１０３、１０４を光ファイバ結合するための単一入口ポート１０２の使用をもたらす。蒸気セル体積１０８は、原子または分子ガスを含有する。ビーム１０３および１０４によってプローブされる、蒸気セル体積１０８内のガスの領域は、本明細書および任意の添付の請求項では、「試験体積」と称され得る。
【００９１】
片側から活性測定体積１１０に進入するセンサ１００を用いることで、図１の構成は、１つを除く全ての側から、活性測定体積１１０を入射ＲＦ／マイクロ波場１１２に対して妨げられないままにする。図１に描写される実装では、線形に偏光されたプローブ１０３およびカプラ１０４ビームが、単一偏光維持ファイバ１２０を通して送信され、レンズ１２２によって、蒸気セル１０６内の約２００μｍの半値全幅（ＦＷＨＭ）にコリメートされる。プローブおよびカプラビーム１０３、１０４は、原子蒸気セル１０６を通して共伝搬し、プローブビーム１０３は、次いで、短通過ダイクロイックミラーコーティング１３０によって、セルを通して戻るように選択的に再帰反射される一方、カプラビームは、それを通して通過し、薄誘電吸収材ビームブロック１３２によって遮断される。再帰反射されたプローブビーム１３４は、その経路を再トレースし、出射カプラビームに重複し、レンズ１２２によって、ファイバ１２０の中に戻るように再結合される。再帰反射の前（図１におけるレンズと蒸気セルとの間）に位置付けられる、４分の１波長板１４０は、線形に偏光された入射プローブビームが、偏光維持（ＰＭ）ファイバ後の読取のために偏光選択的要素（図示せず）を用いて選択的に分裂され得るように、再帰反射された出射ビーム上で９０度回転されることを確実にする。
【００９２】
図１に描写されるようなセンサ１００は、本発明に先行する蒸気セルＥＩＴの他の実装と比較して、いくつかの利点を提供し得る。第１に、線形片側設計は、小誘電占有面積を有する、小型で薄型プローブ先端およびセンサ要素を可能にする。本設計はまた、光学ビームをファイバから外におよびセルの中に再指向するための任意の光学要素の必要性を排除する。蒸気セルＥＩＴの典型的実装と比較して、より大きいビーム直径の入力および出力結合のための単一レンズを利用することは、有利には、より少ない相互作用時間の広がりと、それに伴う、より高い達成可能分光分解能とだけではなく、読取プローブビームを同一ファイバの中に逆結合することにより、不整合に対するデバイス感度を低減させることによって、改良された動作安定性をもたらすことによって、測定精度および感度を改良し得る。
【００９３】
図２Ａは、概して、数字２００によって指定される、図１のペン状再帰ＥＩＴ構成１００を使用した８７Ｒｂの３０Ｄ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態のＥＩＴスペクトルを示す。片側ＥＩＴ構成は、本明細書では、「再帰ＥＩＴ構成」と称され得る。微細構造特徴２０４の分裂は、明白である。内側セル壁からのカプラビーム１０４の内部反射は、複製ＥＩＴスペクトル２０２につながる。スペクトルは、Ｓｉフォトダイオードの信号のロックイン検出を伴わずに得られる。
【００９４】
複製スペクトル２０２は、ドップラープロファイルの中心における速度ｖ＝０原子に対するプローブビーム１０３の周波数離調と等しい量だけ、一次ＥＩＴ線２００から青色偏移される。蒸気セル内の内部反射に起因する複製スペクトルは、一般に、蒸気セルＥＩＴ実験内で観察される。これらは、セルをＥＩＴビームの直角入射からある角度に設置する、またはセル窓を入射光学ビームに対してある角度で有することによって、回避されることができる。
【００９５】
図２Ｂは、概して、数字２３０によって指定される、ルビジウム蒸気カプセル２３２を通して片側がファイバに結合される、感知要素の実施形態を示す。本発明の別の実施形態による、感知要素の実装は、片側がファイバに結合される励起ビーム２１６および片側がファイバに結合されるプローブビーム２１８を蒸気カプセル２３２の中に再指向させる、第１のプリズム２１２と、第２のプリズム２１４とを伴う。プリズム２１２および２１４は、レンズ２３５によって、個別のファイバ誘導ビーム２１６および２１８に結合する。
【００９６】
本発明の他の実施形態によると、片側が光学的に結合された蒸気セルＲＦ／マイクロ波感知要素は、マルチセンサアレイに拡張されてもよく、セルのアレイの片側結合は、集合的に、マイクロのアレイレンズ上に衝突する、カプラおよびプローブのための大単一ビームを使用して達成される。１つのそのような実施形態が、ここで、図３を参照して説明される。再び、カプラ１０４およびプローブ１０３ビームの片側入口は、アレイ内の単一要素の高密度充塞を可能にし、活性測定体積／表面を測定または撮像されるべき入射ＲＦ／マイクロ波放射に対して妨げられないままにする。より低い密度のアレイに関して、図１および３に示されるもの等の個々の片側要素のグリッドが、本発明の範囲内で採用されてもよい。
【００９７】
図３は、概して、数字３００によって指定される、マイクロ波撮像アレイを示す。マイクロ波撮像アレイ３００は、線形または面積（２次元）アレイに配列される、個々の蒸気セルセンサ要素３０２の片側結合から成る。光学カプラ３０４およびプローブ３０６ＥＩＴビームは、ダイクロイックミラー３０８を使用して、相互から分裂される。レーザ−ビームアレイ３１０は、マイクロレンズ（ＭＬアレイ）３１４のアレイを通して通過される、大径レーザビーム３１２から導出される。マイクロレンズアレイは、市販される。レーザビームアレイは、原子蒸気（１ｍｍ未満のサブセル周期を伴う、着目ＲＦ波長のある割合の大きさの層厚）を含有する、サブセル３１６の平面アレイと合致される。蒸気セルアレイ上の誘電コーティング３１８は、７８０−ｎｍプローブレーザビームを反射させ、４８０−ｎｍカプラおよびマイクロ波場を伝送させる。偏光ビームスプリッタによって反射されたプローブビーム画像は、マイクロ波情報を含有する。これは、ＣＣＤカメラ３２０を使用して記録され、画像プロセッサ３２２を用いて分析される。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３２４もまた、示される。
キャビティ増強場感度
【００９８】
上記で定義されたような、原子Ｒｙｄｂｅｒｇ蒸気が、異なる共鳴材料または構造と統合され、着目ＲＦ場を調整する、ＲＦ検出のための、ハイブリッド式原子検出器の概念が、ここで提示される。本発明による、ハイブリッド式原子検出器は、有利には、検出能力を達成し得る。
【００９９】
近接場効果は、増強された電場の領域を発生させることが周知である。本発明に従って初めて説明される、ハイブリッド式原子検出器の前述の概念は、有利には、例えば、ナノ粒子内のプラズモン共鳴において使用されてもよい。本発明による、ハイブリッド式原子検出器の一実施例は、スプリットリング共鳴器を採用する。単純近接場場増強デバイスは、サブ波長径の金属先端である。先端は、雷雨の中でロッドの近傍の電場を増強させる避雷針のように、ＲＦ電場を増強させる。図４Ａは、いくつかの周波数に関する、１２５μｍ径の先端４０１の軸に沿ったＲＦ場増強係数の計算を示す。例証およびプロットは、原子蒸気セルの中に統合される金属先端等の単純構造が、９．５ｄＢの強度に対応する、約３倍、場を増強させ得ることを示す。増強のために、先端直径は、図４Ｂに描写される表皮深さを超えることが重要であって、これは、着目例（Ｃｒ、ベリリウム銅等）に関して、１０〜１００ＧＨｚ範囲内において約１μｍである（かつ１／周波数０．５としてスケーリングされる）。原子蒸気セルの中に埋め込まれた金属先端等のハイブリッド式デバイスは、局所的近接場増強を介して、場感度を増強させるということになる。
【０１００】
ＲＦ場に伴って共鳴する、キャビティ構造は、場の局所増強のための別の手段を提供する。キャビティ構造は、ＲＦ場偏光および周波数等のＲＦ場パラメータの追加制御を容易に提供することができる。本発明の範囲内では、キャビティは、原子ＲＦ場相互作用体積内の場不均質性を低減させるようにエンジニアリングされ得、これは、適用において望ましくあり得、先端状構造を伴う近接場効果を利用するときに達成することが困難である。
【０１０１】
Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ感知のために採用されるハイブリッド式原子キャビティ構造の新規概念が、ここで、図５Ａおよび５Ｂを参照して説明され、概して、数字５００によって指定される、例示的タイプのハイブリッド式原子キャビティ構造、およびＲＦ場増強のためのその動作原理が、示される。構造５００は、本明細書では、「電極」とも称され得る、２つの中実金属フレーム５０２から成り、ルビジウム蒸気セル５０６の正面において、ギャップ５０４によって分離される。図５Ｂを参照すると、２つの金属フレーム５０２間のギャップ５０４は、衝突ＲＦ場５０８に共鳴結合し、対応するＲＦ電場５１２をキャビティ体積内で局所的に圧縮する、キャビティ５１０を形成する。単語「キャビティ」は、本明細書では、規定された空間体積にわたってＭａｘｗｅｌｌの方程式の解に任意の種類の境界条件を課す、任意の構造を指すために、一般的意味において使用される。「キャビティ」は、本明細書では、同義的に「共鳴器」または「共鳴構造」とも称され得る。
【０１０２】
Ｒｙｄｂｅｒｇ原子蒸気内側キャビティ５１０は、場５１２の測定のために光学的に照会される。図６は、ルビジウム蒸気セルの内側に従来の機械加工された電極を伴い、図５Ａおよび５帯域図７Ａ−７Ｄを参照して図示および説明される、ハイブリッド式原子キャビティ構造５００によって提供される場増強の計算を示す。構造５００は、ギャップ５０４内において、２０ｄＢの強度に対応する、約１０倍、Ｙ（図５Ｂにおける垂直方向）に沿って線形に偏光された４ＧＨｚマイクロ波の電場５１２を局所的に増強させる、４６０μｍのギャップサイズを有する。５０〜１００ミクロンの範囲内のＥＩＴレーザビームウェストを用いると、増強された電場は、寸法約０．４６×０．５×９ｍｍを伴う測定チャネルの内側の活性測定体積内で非常に均質のままである。９ｍｍ長の「キャビティチャネル」（本明細書では、「ギャップ」および「キャビティ」の両方と同義語として使用される用語）は、測定の間、より高い光学吸収のための十分に長い相互作用体積を提供し、また、有利には、ＥＩＴスペクトル内の改良された信号対雑音比を提供する。
【０１０３】
概して、数字７００によって指定される、本発明のある実施形態による、ハイブリッド式原子共鳴器デバイスが、ここで、図７Ａ−７Ｄを参照して説明される。図７Ａに示される斜視図は、Ｓｔａｒｋチューナ／コンプレッサ７０４に対応する内部構造を伴う、分光セル７０２（別様に、「蒸気カプセル」の「原子蒸気カプセル」と称される）をハイライトする。図７Ｂは、ハイブリッド式原子共鳴器デバイス７００の上面図である。図７Ｃにおける側面図はスペーサ７０８によって分離され、「キャビティ」とも称される、ギャップ７１０を形成する、上部電極７０６と、底部電極７０７とを示す。図７Ｄに描写されるハイブリッド式原子共鳴器デバイス７００の斜視図は、電極接続７１４を介して、蒸気カプセル７０２の中に結合される、電極ワイヤ導線７１２を示す。
【０１０４】
高感度原子ベースのＲＦ場測定のためのハイブリッド式原子キャビティデバイスを用いて場増強を実証するために、図７Ａ−７Ｄのハイブリッド式原子共鳴器デバイス７００は、図８Ａに示される実験設定において展開され得る。キャビティ７１０内のＲＦ場は、キャビティ７１０内の８５Ｒｂ原子の高位Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の場誘起レベル偏移の高効率非破壊光学プローブとして、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴを使用して測定される。関連ルビジウムＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴエネルギーレベル略図は、図８Ｂの差込図に示される。λ＝７８０ｎｍ（７２０）および４８０ｎｍ（７２２）を伴う、２つのレーザビームは、対向伝搬しており、図５Ｂおよび８Ａに図示されるように、キャビティ７１０の中心を通して重複される。本発明の例示的実施形態では、７８０ｎｍビーム７２０は、セル７０２の中心における７０ミクロンの半幅に集束され、８μＷのパワーを有する一方、４８０ｎｍビーム７２２は、７０ミクロンの半幅に集束され、４０ｍＷのパワーを有する。Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ分光法が、４８０ｎｍレーザの周波数が、数Ｈｚの繰り返し率において、選定されるＲｙｄｂｅｒｇレベルを横断して線形に走査される間、８５Ｒｂ５Ｓ１／２（Ｆ＝３）〜５Ｐ３／２（Ｆ＝４）遷移に安定化されたレーザ周波数を用いて、蒸気を通した７８０ｎｍ伝送を監視することによって実施される。光学周波数基準は、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトルを較正するために、４８０ｎｍレーザビーム７２０から導出される。
【０１０５】
ＥＩＴスペクトル内の改良された信号対雑音比のために、本発明のある実施形態によると、変調分光法が、実装されてもよい。本明細書で使用されるように、変調は、周波数、振幅、およびステップ変調、またはそれらの組み合わせのいずれかを包含する。例えば、４８０ｎｍビーム７２０は、５０／５０デューティサイクルにおいて、約２０ｋＨｚ平方パルスで振幅変調されてもよく、光検出器７３２を用いて７８０ｎｍビームの検出によって導出される、７８０ｎｍ信号７３０は、例えば、ロックイン増幅器（図示せず）を使用して、復調されてもよい。ハイブリッド式原子キャビティ構造７００は、増加されたルビジウム蒸気密度および７８０ｎｍ吸収のために、約４５℃の周囲温度に維持される。キャビティ７１０を形成する、２つの電極７０６および７０７は両方とも、セル７０２の外側で接地に電気的に結合される。一実施例では、ＲＦ場は、信号発生器を使用して発生され、ＷＲ２２９開放端導波管（２．５７７〜５．１５４ＧＨｚ）７３５（別様に、本明細書では、「ガイド」と称される）の中への２０ｄＢ供給によって増幅される。Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴレーザビーム７２０、７２２がそれを通して通過する、測定チャネル／キャビティ７１０は、ガイド７３５の正面から約１ｃｍ離れて設置される。示される実施例では、ＲＦおよび光学ビームは、線形に偏光され、偏光は、キャビティ７１０の短軸（Ｙ）に沿って平行に指向される。
【０１０６】
図９Ａは、注入マイクロ波パワーの固定−１０ｄＢｍに関するＲＦ／マイクロ波周波数の関数として、相対的３１Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトル線偏移を示す。３１Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇレベルは、実験において網羅される２．５〜５．２ＧＨｚマイクロ波周波数範囲に関して、印加されるマイクロ波が、任意のＲｙｄｂｅｒｇ遷移から遠共鳴であって、３１Ｓ状態が、マイクロ波電場振幅に比例するＡＣ−Ｓｔａｒｋシフトを呈するように選定される。図９Ａに示されるプロットの最左では、レーザ周波数軸は、印加される２．５−ＧＨｚマイクロ波場では、３１Ｓ線を中心とする。マイクロ波周波数を増加させるために、３１Ｓレベルは、約３．５ＧＨｚを４．３５ＧＨｚ（ここには示されないより高い分解能走査では、４．３７＋／−０．０１ＧＨｚ）における大マイクロ波キャビティ誘起場共鳴に実質的に偏移させ始める。４．８５ＧＨｚにおける顕著な共鳴を含む、他の特徴も、スペクトル内で明白である。複数の共鳴は、電極／キャビティ整合のためのアルミナロッドおよび各電極７０６、７０７の背面における長電極ワイヤ７１２を含有する、バルクキャビティ構造（例えば、３つの孔７４０（図７Ｂに示される））の複雑性に起因して、本デバイスからは予期されない。
【０１０７】
図９Ｂは、印加される二乗平均平方根（ＲＭＳ）電場ＥＲＭＳに関する、３１Ｓ１／２  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態を中心とする、計算されたＳｔａｒｋマップをプロットする。図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂを使用して取得される、マイクロ波ＥＲＭＳ対周波数をプロットする一方、図９Ｄは、それぞれ、２．５（トレース９０２）および４．３５ＧＨｚ（トレース９０４）マイクロ波に関して、測定されたＥＩＴ線をプロットする。
【０１０８】
本明細書で議論される実施例は、所望の用途特有のＲＦ／マイクロ波周波数における高電場測定感度のための、ハイブリッド式デバイスの幾何学形状の当業者による設計選択肢の問題として、適合性を図示する。本実施例では、マイクロ波電場振幅は、分光学的に測定されたマイクロ波誘起ＡＣ−Ｓｔａｒｋシフト線をＧａｕｓｓｉａｎ関数に適合させ、ルビジウム３１Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の計算されるＳｔａｒｋシフトを使用して、ピーク周波数偏移を電場値に変換することによって取得される。図９Ｂは、印加される電場に関する、無場３１Ｓ１／２  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態を中心とする、計算されたＳｔａｒｋマップを示す。図９Ｃは、マイクロ波周波数の関数としてキャビティの内側で測定される、結果として生じるマイクロ波電場を示す。４．３５＋／−０．０５ＧＨｚ共鳴では、キャビティ増強マイクロ波場ＥＲＭＳ＞＝１３．５Ｖ／ｃｍが、ピーク位置の＜０．１ＭＨｚ適合不確実性によって与えられる、相対的不確実性＜０．３Ｖ／ｃｍを伴って測定された。
【０１０９】
図９Ａでは、ＥＩＴ線幅は、２．５ＧＨｚにおける２１．７ＭＨｚから４．３５ＧＨｚにおける８４．０ＭＨｚに増加する（また、図９Ｄ参照）。本増加は、測定体積内の場不均質性に起因し、これは、ＥＩＴビーム７２０、７２２およびキャビティチャネル７１０が、サイズ匹敵するし、キャビティ縁における近接場効果が、光学ビームによってサンプリングされるために生じる。ＥＩＴビームが、原子蒸気内のキャビティに進入し、そこから退出する、９ｍｍ長キャビティチャネル７１０の端部における縁および角もまた、寄与し得る。より狭い分光線幅を要求する測定用途のために、不均質場の広がりは、より大きいキャビティ体積を伴うキャビティ構造を実装することによって、および／またはより空間的に局所化された測定のためのより小さいビームサイズを使用することによって、緩和され得る。
【０１１０】
電場のためのキャビティ増強係数を推定するために、図９Ａ−９Ｄを参照して上記に説明されるキャビティ増強４．３５ＧＨｚ場測定が、キャビティ７１０の外側で測定された場と比較され得る。このために、ＥＩＴビーム７２０、７２２は、蒸気セル７０２および導波管７３５の正面に向かってキャビティ７１０の中心からΔｚ＝−０．９ｍｍ移動される。キャビティの外側の本位置における測定可能線偏移を取得するために、注入マイクロ波パワーは、−１０から−５ｄＢｍに増加される。これは、図９Ａ−９Ｄの議論において使用されるものと比較して、パワーが３．１６倍高い（かつ場が１．７８倍高い）。これらの条件下、ＥＲＭＳ＝１．４７Ｖ／ｃｍに対応する、−３．８０ＭＨｚの４．３５ＧＨｚマイクロ波場誘起ＡＣ−Ｓｔａｒｋシフトが、測定される。キャビティの外側のＲＦ場に関する本値を使用して、増加された注入パワーを考慮し、小Δｚ（｜Δｚ｜／ｄ＝０．０３＜＜１（式中、｜Δｚ｜＝０．９ｍｍは、キャビティに対するビーム位置であって、ｄ＝２９．１ｍｍは、導波管の短軸である）にわたる導波管から放出される場の変化を無視すると、感度の２４ｄＢ増加に匹敵する、
【化１】
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のキャビティ場増強係数が、取得される。
【０１１１】
ｙに沿って線形に偏光された１Ｖ／ｍの振幅を伴う入射４．３７ＧＨｚマイクロ波場に関する、ハイブリッド式原子キャビティ構造の内側の場をシミュレートする、シミュレーションが、図１２を参照して下記に議論される。本シミュレーションは、１８．６の増強係数をもたらし、これは、４．３５ＧＨｚ場に関して測定された値より約１４％高い。差異は、測定された場とシミュレートされた場との間の周波数の０．０２ＧＨｚ差によって説明され得る。シミュレーションは、着目マイクロ波周波数に関する、壁寸法および材料誘電定数を含む、正確なセル幾何学形状に依存する、誘電セル７０２に起因する、マイクロ波損失を考慮しない。
【０１１２】
ハイブリッド式デバイスの相補的実装では、共鳴構造５１０を原子蒸気を含有するセルの中に挿入する代わりに、原子蒸気はまた、本発明の範囲内において、共鳴構造内に組み込まれてもよい。これは、例えば、原子測定がＲＦパワーおよび場の絶対平準化のために既存のＲＦシステム（ホーン受信機、導波管等）の中に組み込まれる必要がある、用途において望ましくあり得る。実施例として、図１を参照して議論される感知要素１００では、原子蒸気を含有する、類似する狭誘電カプセル２３２が、図５Ａ−５Ｂまたは７Ａ−７Ｄに示されるもののように、共鳴構造５１０の測定チャネル７１０内に組み込まれ得る。本発明の範囲内では、共鳴構造５１０は、任意のタイプのＲＦ共鳴器または構成要素であってもよい。
【０１１３】
導波管１００４の内側に蒸気セル１００２を有する、本発明の範囲内の別の実装が、ここで、図１０Ａおよび１０Ｂを参照して説明され、それぞれ、概して、数字１０００によって指定される、場測定システムの側面および端面図が、示される。導波管１００４内の孔１００６は、ＥＩＴカプラ１００８およびプローブ１０１０ビームの通路を提供する。本システムは、導波管の内側の高強度場測定のために使用されている。そのようなハイブリッド式システムは、有利には、回路を通したパワーの絶対平準化のために、既存のＲＦ回路の中に挿入され得る。実施例として、ホーン、ダイオード、導波管構造、または同軸ケーブル内に原子蒸気を組み込む、ハイブリッド式デバイスは、マイクロ波源、伝送システム、ならびに地上、海上、空中、および宇宙ベースの用途における他の器具において、測定、較正、またはパワー平準化等のための多用途のコンパクトな内部モジュールを提供する。
【０１１４】
本明細書に説明されるようなハイブリッド式原子共鳴器デバイス７００を使用して達成可能な絶対感度は、全て当業者の設計能力内である、より高い主および／または軌道量子数を伴うＲｙｄｂｅｒｇレベルならびにキャビティ増強ＲＦ場に共鳴結合されるＲｙｄｂｅｒｇ状態を実装することによって、目的に合わせられ、さらに増加され得る。全てのそのような増強は、本発明の範囲内である。場増強および感度は、例えば、従来説明されるもの以外の共鳴構造を用いて、かつ当技術分野において公知である、または将来的に発見されモジュール、メタ材料を用いて、ハイブリッド式デバイスをエンジニアリングすることによって、さらにカスタマイズされてもよい。同様に本発明の範囲内である、原子蒸気が共鳴構造内に組み込まれる、相補的実装は、原子測定能力を既存のＲＦシステム（ホーン受信機、導波管等）およびＤＣ回路／構成要素の中に統合するとき、特定の利点であり得る。
ハイブリッド式システムにおける偏光選択性
【０１１５】
１つの上記に説明されるもののようなハイブリッド式デバイスの別の特徴は、異なるＲＦ／マイクロ波偏光を区別し、偏光に敏感な原子ベースの場測定を達成する、その能力である。図５Ａ−５帯域７Ａ−７Ｄに示されるキャビティ構造に関して、キャビティ７１０は、キャビティ軸Ｙに沿って線形偏光成分を伴うＲＦ場のみが、キャビティの中に結合され、活性測定体積内で場増強される、ＲＦ偏光フィルタとして作用する。
【０１１６】
図１１Ａは、垂直（Ｙ軸）に対するマイクロ波場偏光ベクトルの異なる角度位置Θに関する固定注入パワーにおける印加されるマイクロ波周波数の関数として、実験３１Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  ＡＣ−Ｓｔａｒｋシフトを示す。これは、１００ステップずつ、Θ＝００（Ｙに沿った導波管の短軸）から９００度（Ｘに沿った導波管の短軸）に、導波管７３５（図８Ａに示される）をＸＹ−平面においてＺ軸を中心として反時計回りに回転させることによって行われる。Θ＝００では、マイクロ波偏光は、図１１Ａに示される曲線１１０２から明白であるように、キャビティの中への最大結合のために、キャビティ７１０のキャビティ軸と整合される。Θが増加するにつれて、信号は、キャビティ軸と平行なマイクロ波場の線形（Θ＝００）成分が減少するため減少する。図１０Ｂは、図１０Ａに示されるデータに関するΘの関数として、４．３５ＧＨｚにおけるマイクロ波電場をプロットする（前述のような３１Ｓ線偏移および計算されたＳｔａｒｋマップから取得される）。Θが、増加するにつれて、場は、マイクロ波場ベクトルのΘ＝００成分（共鳴の中に結合する成分）がΘ依存性に伴って減少するため減少する。図１０Ｂにおける鎖線曲線１１１０によって与えられる、データへのコサイン適合は、本予想を確認するが、キャビティ内の４．３５ＧＨｚ場が、若干の電極不整合および表面品質等のキャビティ欠陥に起因して、Θ＝９００においてゼロに到達しない。共鳴器の中に結合され、共鳴器ギャップ内の原子によって検出される、線形に偏光された共鳴電磁波のパワーは、ｃｏｓ２Θ依存性（Θは、上記に定義されたマイクロ波偏光角度である）を有するということになる。したがって、そのようなキャビティ共鳴器は、統合されたマイクロ波偏光子の機能性を模倣することが分かる。
電極統合蒸気セルを利用したＤＣ場同調能力
【０１１７】
弱ＲＦ場のＲｙｄｂｅｒｇ−原子ベースの測定の主要な限界は、それらが、概して、ＲＦ場が、大電気双極子モーメントおよび電場への強原子応答をもたらす、双極子許容Ｒｙｄｂｅｒｇ遷移を伴って共鳴することを要求することである。その結果、弱場測定は、所与の原子内の有限数の離散遷移のうちの１つに伴って共鳴する、ＲＦ周波数の離散セットに関してのみ行われ得る。本限界を克服するために、外部場を使用して、原子レベルエネルギーおよび遷移を、測定のために十分な原子感度をもたらす、着目ＲＦ場に伴って共鳴または近共鳴するように、同調させることが望ましい。本発明に従って初めて提案される、ハイブリッド式原子共鳴器は、本目的のために、キャビティ／アンテナ／電極構造自体を使用して、局所場を原子に印加するための実践的手段を提供する。
【０１１８】
上記に説明されるハイブリッド式原子共鳴器７００を使用して、本発明のさらなる実施形態によると、ＲＦ場増強の文脈において上記に説明される同一電極が、同時に、または別個に、ＤＣ電場を印加し、Ｒｙｄｂｅｒｇ遷移周波数を弱ＲＦ場に伴って共鳴するようにＳｔａｒｋ同調させために使用される。図１３Ａおよび１３Ｂは、それぞれ、印加されるＤＣ電場に関する３０Ｄ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の実験および計算されたＤＣ  Ｓｔａｒｋマップを示す。Ｓｔａｒｋマップは、ゼロ場を中心として対称であることに留意されたい。図１３Ａにおける実験スペクトルマップは、一方の電極を接地し、電圧を他方の電極上に印加し、ＤＣ場を測定チャネル７１０（図５Ｂに示される）内に発生させることによって、キャビティを使用して取得される。図１３Ａのマップは、ｊ＝２．５微細構造成分の３つの｜ｍｊ｜＝０．５、１．５、２．５サブレベルおよびｊ＝１．５微細構造成分の｜ｍｊ｜＝０．５、１．５サブレベルの両方を示す。ゼロ場および線形に偏光された光学ビームでは、図５Ｂに図示されるルビジウムＥＩＴラダースキームは、５Ｐ３／２超微細構造によるｍ−混合に起因して、｜ｍｊ｜＝０．５および１．５Ｒｙｄｂｅｒｇサブレベルを光学的に励起させる。実験スペクトル内の弱ｊ＝２．５、すなわち、｜ｍｊ｜＝２．５  Ｒｙｄｂｅｒｇレベルの出現は、光学−ビーム偏光の若干の不整合または楕円率に起因し得る。
【０１１９】
図１３Ａおよび１３Ｂは、原子蒸気またはガスと統合された電極を伴うハイブリッド式原子キャビティまたは類似構造内のＤＣ電場を使用した、Ｒｙｄｂｅｒｇレベルおよび遷移の調整の実証を提供する。実施例として、３０Ｄ５／２および３０Ｄ３／２ｍｊ＝１．５レベル間の２ＲＦ光子遷移が、検討され得る。０Ｖ／ｃｍの電場が印加される状態では、これは、約５４０ＭＨｚにおいて共鳴し、２個の約２７０ＭＨｚ  ＲＦ光子を使用して、二次において双極子許容される、遷移に匹敵する。＋／−１０Ｖ／ｃｍの電場では、状態間のエネルギー差は、約ｈ＊７００ＭＨｚ（ｈは、適切な単位におけるＰｌａｎｃｋ定数である）まで増加し、遷移は、２個の約３５０ＭＨｚＲＦ光子を使用して、双極子許容される。０〜＋／−１０Ｖ／ｃｍのＤＣ場の印加によって、遷移を約２７０〜３５０ＭＨｚのＲＦ光子に伴って共鳴するように持続的に同調させることができる。可同調性の範囲は、例えば、より高い場値、異なる偏光率および電気双極子モーメントを伴う異なる原子状態、ならびに多光子励起プロセスを使用して、本発明の範囲内において拡張されることができる。
外部電極を使用したＡＣ−Ｓｔａｒｋ同調
【０１２０】
弱Ｋａ帯域マイクロ波電場の連続周波数測定も同様に、両方とも上記に説明されるような内部または外部同調電極を用いて印加される、低周波数ＲＦを使用して、ＡＣ−Ｓｔａｒｋ同調Ｒｙｄｂｅｒｇ遷移によって、遂行されることができる。本発明の一実施形態では、ＡＣ−Ｓｔａｒｋ同調１００ＭＨｚ  ＲＦ場が、外部電極を使用して、蒸気セルに印加され、遷移を無ＲＦ場遷移からオフ共鳴にマイクロ波に伴って共鳴するようにＳｔａｒｋ同調させる。図１４は、１００ＭＨｚＲＦ場によって変調４７Ｓ状態（１４０１）および４７Ｐ状態（１４０３）の両方に関する、計算されたＦｌｏｑｕｅｔスペクトルマップを示す。４７Ｓおよび４７Ｐマップは、オーバレイされ、同一ゼロ場周波数を基準とされ、４７Ｓ１／２から４７Ｐ３／２遷移のＲＦ誘起微分偏移を示す。したがって、０〜２００Ｖ／ｃｍの印加される１００ＭＨｚＲＦでは、共鳴マイクロ波遷移は、約２００ＭＨｚずつ持続的に下方同調されることが予期され得る。
【０１２１】
４７Ｓ状態におけるＲＦ強度および電場較正が、図１５に示され、入射ＲＦパワーを励起ビームの異なるＳｔａｒｋ離調における４７Ｓ状態の偏移にマッピングする。実験および計算されたマップは、良好に合致し、ｄＢＩ＝ｄＢｍ＋５０．５のｄＢＩ／ｄＢｍ変換およびＩ＝Ｉ０＊１０ｄＢＩ／１０＝１／２εｃＥ０２（式中、Ｉ０＝１Ｗ／ｍ２であって、εは、自由空間誘電率であって、ｃは、光の速さである）を使用した電気（Ｅ０）場較正をもたらす。図１５における較正は、次いで、Ｋａ帯域マイクロ波が共鳴に同調される、４７Ｓから４７Ｐ遷移（図１４における曲線１４０５）の所望の微分偏移のために、ＲＦ電場を設定するために採用される。
【０１２２】
擬交差が、例えば、Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｓｔａｒｋ−ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｌ−ｍｉｘｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ  ｉｎ  ｕｌｔｒａｃｏｌｄ  ｃｅｓｉｕｍ  Ｒｙｄｂｅｒｇ  ａｔｏｍｓ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ，ｖｏｌ．８７，０３３４０５（２０１３年）によって報告されるように、高ｌ状態における電場誘起ｌ−混合集団の解釈において使用されている。図１６では、セル内の４つの異なる注入ＲＦパワー／場強度に関する、固定−１４ｄＢＩマイクロ波強度（別個の較正）における、４７Ｓ状態の測定されたＥＩＴスペクトル対３７．５１６６３４９２ＧＨｚ（無ＲＦ遷移周波数）からのマイクロ波周波数離調が示される。ＲＦが印加されない状態（図１６における上のプロット）では、４７Ｓ線は、マイクロ波周波数が無ＲＦ場共鳴遷移を横断して走査されるにつれて、予期されるＡｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ挙動を呈する。擬交差の中心は、０ＭＨｚ離調にあり、Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ分裂ピークは、対称的に分裂される。ＲＦパワー／場が、増加されるにつれて（図中の下プロット）、擬交差は、より大きいマイクロ波離調に偏移し、ＡＣ−Ｓｔａｒｋ同調遷移周波数を追跡する。ＲＦの−３８．２ｄＢｍ印加（図１６の最下プロット）では、マイクロ波は、約６０ＭＨｚの離調における遷移に伴って共鳴する。
【０１２３】
図１７では、測定された擬交差の中心は、約２００Ｖ／ｃｍまでの一連の値に関する印加されるＲＦ電場の関数としてプロットされる。不確実性バーが、＋／−１０ＭＨｚの近似ＥＩＴ線幅に設定される。図１４に示される計算された微分偏移は、再びここで、実験偏移との比較のために、曲線１７０１によってプロットされる。実験と計算との間の合致は、ほぼ範囲全体にわたって良好であって、測定されたＡＣ−Ｓｔａｒｋシフトは、印加されるＲＦ場への予期される二次依存性を呈する。最高ＲＦ場では、４７Ｓおよび４７Ｐ状態の変調側波帯間の結合は、原子マイクロ波場結合強度の変動とともに、ある実験条件（大光学Ｒａｂｉ周波数およびＥＩＴ線幅）下では、スペクトル内の擬交差の中心を判別することを困難にし、プロットされた測定値と計算値との間の逸脱につながる。ここで測定された約２００ＭＨｚマイクロ波離調を超える連続ＡＣ−Ｓｔａｒｋ同調が、可能性として考えられ、変調側波帯と強場内の他のＦｌｏｑｕｅｔ状態との間の遷移もまた、使用されてもよい。
【０１２４】
本発明の範囲内では、ＡＣ−Ｓｔａｒｋ同調はまた、連続周波数マイクロ波電場測定のために、感知要素内にあるが、蒸気セルの外部の電極を使用してもよいことを理解されたい。
統合されたスプリットリング共鳴器
【０１２５】
本発明の範囲内である、場調整構造の一実施例が、図１８Ａ−１８Ｄを参照して説明される、スプリットリング共鳴器１８０１によって提供される。スプリットリング共鳴器１８０１は、一般に、電磁スペクトルのマイクロ波、ｍｍ−波場、およびＴＨｚ領域におけるメタ材料のために使用される、単純共鳴構造である。スプリットリング場増幅器は、分光法および光採取用途のための光学および赤外線スペクトル範囲において使用されるマイクロスフェアのプラズモン共鳴と、概念上の類似性を共有する。原子ベースのＲＦ電場感知用途において、低雑音場増幅、高感度、および偏光選択性を達成するようにエンジニアリングされる、統合されたスプリットリング構造を有する、量子ＲＦ感知要素内の原子蒸気セルは、高度感知能力のための原子キャビティ構造の別の実施形態を構成する。
【０１２６】
図１８Ａは、１つの基本タイプのスプリットリング構造の構造、すなわち、単一スリットを伴う管状リングを図示する。共鳴時、入射ｍｍ−波場１８０３の電場は、スリット（または「ギャップ」）１８０５において圧縮された状態になる。ギャップ１８０５はまた、測定チャネル７１０を画定し、そこで、原子蒸気が、増幅された場の測定のために、光学的にプローブされる。本動作原理は、差込図に示されるスプリットリングのための１×０．２×０．２ｍｍ寸法を伴うスリット／ギャップおよび右からキャビティ上に入射する垂直に偏光されたマイクロ波場に関して、図１８ｂに図示される。図１８ａでは、入射マイクロ波場周波数（固定１Ｖ／ｍ入射場振幅）の関数として、３つの異なるギャップサイズおよび幾何学形状に関して、本共鳴器タイプのスリットの内側のシミュレートされた電場値が、プロットされる。これらのスプリットリングは、１４、４４、および５４ＧＨｚにおいて共鳴を呈し、それぞれ、４６．８倍、７４．１倍、および２７．３倍の場増幅係数を伴う。共鳴周波数は、スプリットリングの単純幾何学的パラメータを用いてエンジニアリングされる。図１８Ｃおよび１８Ｄでは、正方形管状構造を含む、他のスプリットリング共鳴器構造のシミュレートされた共鳴挙動が、プロットされ、これは、４２．５、１２５、および９４ＧＨｚにおける増幅を提供し、８１．９倍、１２．５倍、および９．４倍の個別の増幅係数を伴う。これらの増幅係数は、約２０ｄＢ〜３５ｄＢに及ぶ、固有の非電子利得に対応する。１ｍＶ／ｍを増幅を伴わない標的場測定感度に対する上限として使用すると、４２．５ＧＨｚマイクロ波の８１．９×場増幅をもたらす、ハイブリッド式デバイスは、（入射場に関して）０．０１ｍＶ／ｍレベルにおいて有効感度を達成し得る。
【０１２７】
蒸気セル内の場増強に適用される、同心高Ｑマイクロ波キャビティ等の他のスプリットリング共鳴器構造ならびに他のタイプの共鳴器も、本発明の範囲内である。
温度安定化のための蒸気セルの非接触光学加熱
【０１２８】
ここで、図１９Ａ−１９Ｃを参照して説明される、無接触全光型蒸気セル加熱は、温度制御ハードウェア（電子機器、金属ワイヤ）が検出器のＲＦ場応答を改変してはならない、Ｒｙｄｂｅｒｇ  ＲＦセンサおよびハイブリッド式デバイスのための活性蒸気圧力制御システムとして不可欠な構成要素であり得る。本発明の実施形態によると、１つ以上の光学的に吸収性の材料が、セルの中に組み込まれる。光学的に吸収性の材料は、入射光ビームの吸収または非弾性散乱を介して加熱され、これは、ひいては、より高い原子蒸気密度のために、セル内の原子蒸気（または固体金属）を加熱する。原子は、例えば、ＩＲ吸収性ガラスから構築されたセルを使用することによって、光学的に加熱された要素と伝導性に熱接触する、または蒸気エンクロージャと熱接触する、光学的に吸収性の材料要素によって、間接的に加熱されてもよい。
【０１２９】
加熱に加え、動作の間、セルの温度を安定化させることが重要である。これは、測定が、外部空気温度がセル温度を有意に改変し得る、環境において実施されるとき、重要であり得る。これは、特に、その原子温度および密度が、そのより小さい体積に起因して、環境温度変動をより受けやすい、小セル（約ｍｍまたはより少ない）を使用するときに懸念される。これに対処すために、能動的安定化が、本発明の範囲内において、原子遷移に伴って共鳴する第２のレーザビームのセルを通した光学吸収を介した原子蒸気温度または密度の変化を能動的に監視することによって、実装されてもよい。本吸収信号は、所望の温度および密度に到達するために要求される、光学加熱パワーの量に対する能動的フィードバックを提供する。さらに、セルは、例えば、絶縁真空層を光学的に加熱されたセルと環境との間に組み込むことによって、その環境から断熱されることができる。
【０１３０】
図１９Ａ−１９Ｃを参照すると、Ｒｙｄｂｅｒｇ  ＲＦセンサの中に統合される全光型蒸気セル加熱方法に従って、ＩＲ吸収性ガラスカプセルが、明るい光源によって照明され、原子蒸気セルが位置する、内側温度を上昇させる。図１９Ａおよび１９Ｂは、４ｍｍ内径原子蒸気セル１９０３を包囲する、ＩＲ−ガラスカプセル１９０１を示す。図１９Ｃは、全光型加熱試験プラットフォームを示す。５０ワットハロゲン球等の光源１９０５が、カプセル上で撮像され、ＩＲガラスカプセル１９０１の温度が、ＩＲガラスカプセル体積内に設置されたサーミスタ（図示せず）等の温度センサを使用して監視される。サーミスタと光源強度との間のフィードバックループが、カプセルの内側の温度を調整し、原子蒸気セルの均一加熱のために、安定化された動作温度を提供するために実装される。カプセル内で均一に分散される、最大１３０℃の定常状態温度が、一実施形態では、達成される。５０℃（小４ｍｍ内径Ｒｂセルを使用するときの典型的動作温度）におけるカプセル温度の能動的温度安定化もまた、実現されている。
変調レーザ場を使用したＲＦ位相測定能力
【０１３１】
感知要素を採用して、ＲＦ場の位相を抽出するための方法が、ここで説明される。本発明の実施形態によると、表面上のコヒーレント電磁場の位相敏感記録は、有利には、全ての空間内の場の再構成を可能にし得る。本再構成原理の用途は、豊富であって、光学におけるホログラフィ、ＳＡＲおよびＩｎＳＡＲ等の干渉スキームに基づくレーダ、ならびに試験下のアンテナによって放出される場の振幅および位相の近接場測定に基づくアンテナ放射パターンの遠方場特性評価を含む。列挙された最後の用途では、測定は、表面上で実施され、近接場／遠方場変換は、全ての空間内の場を計算するために印加される。
【０１３２】
場測定における位相感度を達成するために、ホログラフィック方法が、典型的には、採用される。そこでは、参照波が、物体によって放出される波に干渉する。この場合、物体は、完全に特性評価される必要があるＲＦ場を放出する、試験下のアンテナであると見なされる。明確に定義された振幅および位相を伴う、参照波は、好ましくは、原子蒸気セルまたはハイブリッド式原子キャビティセル構造内の物体波に干渉する、平面ＲＦ場である。ここでは、セルは、原子場相互作用体積が任意の所与の方向に横断して１つ未満のＲＦ波長を測定するように製造される。原子場相互作用体積は、原子蒸気と、プローブレーザビームと、カプラレーザビームとの間の重複によって与えられる。物体および基準ｍｍ−波またはマイクロ波場のコヒーレント電場和の大きさが、次いで、明確に確立された方法を使用して測定される。
【０１３３】
測定された大きさは、参照波と物体波との間の位相差異に依存する。原理上、そのような読取値は、物体を囲繞する表面上で取得されることができる。これは、例えば、ＲＦ波長よりはるかに小さい空間分解能を用いて、蒸気セルセンサユニットを好適なグリッド上に移動させることによって達成され得る。グリッド上で測定された位相敏感電場値は、次いで、物体波の完全３次元再構成を可能にする。試験下のアンテナの遠距離を取得するために、近接場／遠方場変換のための公知のアルゴリズムを使用することができる。本測定方法は、ハイブリッド式原子キャビティ構造（上記参照）または他の分光技法を利用する電場ベクトルのために、完全偏光感度を含むように容易に拡張されることができる。
【０１３４】
ＲＦ場位相測定では、明確に特性評価された参照波の発生は、大きな問題を提示する。比較のために、最初に、光学ホログラフィを検討する。そこでは、参照波は、典型的には、写真乳剤（または同等物質）の層内に散乱する物体に干渉する、拡張されたほぼ完璧な平面波レーザビームである。光学ホログラフィでは、参照波の純度が重要であることは、周知である。システムは、主として、塵埃粒子および他の欠陥によって生じる回折リングがないべきである。平滑ガラス表面からの参照波のスプリアス反射は、さらに大きな問題である。ＲＦ測定の文脈では、本条件は、最先端無エコー性チャンバを使用するときでさえ、遭遇することが非常に困難である。定量的研究のために、また、参照波は、固定振幅、または少なくとも、周知のゆっくりと変動する振幅関数を有することが重要であろう。大表面にわたって平滑振幅挙動を有する、無欠陥ＲＦ参照波の調製は、大きな課題を提示し、常時、可能ではない。
【０１３５】
図２０Ａは、本発明のある実施形態による、概して、数字２０００によって指定される、感知要素後端と、ＲＦ電場の位相敏感測定のための動作原理を図式的に描写する。マイクロ波ホーン２００２（ＭＷ）は、試験または他の着目物体波下の任意のアンテナを表す。ＲＦ源２００６によって駆動される、ファイバ変調器２００４は、ＲＦ参照ビートを蒸気セル１０６内の原子に送信されるカプラビーム１０４上に位相コヒーレントに転写する。ＲＦ参照ビートは、通常、位相敏感（ホログラフィック）場測定において必要とされる、参照ビームに取って代わる。原子ベースのＲＦ感知要素内の蒸気セル１０６は、寸法約１ｍｍであって、７８０ｎｍおよび４８０ｎｍレーザビームにファイバ結合される。片側がファイバ結合された感知要素１００は、最小限の誘電プロファイルを伴う、センサスティック（図示せず）上に搭載される。感知要素およびスティックは、実際にＲＦ場内にある、検出器の唯一の部分である。ファイバ変調器および光学位相制御要素は、感知要素１００の外部のセンサの遠隔制御ステーション（図示せず）と統合され、分析のために、レーザ、信号読取電子機器、および算出ユニットを含む。図２０Ｂは、位相敏感ＲＦ電場測定において使用される、量子機械的レベルスキームおよび光学／ＲＦ励起経路を描写する。
【０１３６】
これらの実践的測定の必要性に対処すために、解決策が、原子ベースのＲＦ感知要素および測定の中に統合される。動作原理は、電気光学変調技法を介して、位相コヒーレントＲＦ基準を光学結合レーザビーム上に転写することである。市販されている、ファイバ光学高周波数変調器を使用して、カプラビームが、測定されるべきＲＦ場の周波数と同じ周波数ωＲＦにおいて周波数または振幅変調される。一実装では、場周波数は、２つの近隣Ｓ型Ｒｙｄｂｅｒｇレベル間の分離の半分とも同じであるように選定される。レベルエネルギーおよびその分離は、非常に高精度まで把握される。そのような遷移に関して、多くの選択肢が存在する。さらに、カプラレーザビーム１０４の搬送波周波数は、Ｓレベルの合間のｎＰ３／２  Ｒｙｄｂｅｒｇレベルへの遷移２０１０に伴って共鳴するように調節される。Ｒｙｄｂｅｒｇ  ｎＰレベルは、２つのＳ  Ｒｙｄｂｅｒｇレベル間の中間点になく、Ｓ状態共鳴からの変調カプラ周波数２０１２の離調Δにつながる。ルビジウムでは、これらの離調は、約１００ＭＨｚであって、典型的には、関与する遷移のいずれかのＲａｂｉ周波数より大きい。故に、１つの結合レーザ光子の吸収ならびにＲＦ光子の吸収（図２０ＢにおけるチャネルＢ）または誘導放出（図２０ＢにおけるチャネルＡ）を介した５ＰからｎＰへの遷移を説明する、２光子Ｒａｂｉ周波数は、以下によって与えられる。
【化２】
2021507271.tif 000004
【０１３７】
そこでは、
【化３】
2021507271.tif 000005
および
【化４】
2021507271.tif 000006
は、Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇレベルへの光学カプラレーザ遷移のＲａｂｉ周波数であって、
【化５】
2021507271.tif 000007
は、Ｓ  ＲｙｄｂｅｒｇレベルからｎＰ３／２  ＲｙｄｂｅｒｇレベルへのＲＦ遷移のＲａｂｉ周波数であって、
【化６】
2021507271.tif 000008
は、ＲＦ場の位相である。また、
【化７】
2021507271.tif 000009
および
【化８】
2021507271.tif 000010
は、結合レーザの変調側波帯の位相である。方程式における
【化９】
2021507271.tif 000011
の前の符号には、重要な差異が存在することに留意されたい。さらに、ＲＦ場振幅ＥＲＦは、
【化１０】
2021507271.tif 000012
であるため、
【化１１】
2021507271.tif 000013
内に含まれ、式中、
【化１２】
2021507271.tif 000014
は、ＲＦ  Ｒｙｄｂｅｒｇ／Ｒｙｄｂｅｒｇ遷移に関する周知のＲＦ電気双極子遷移行列要素である。５Ｐ状態とｎＰ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態との間の正味結合
【化１３】
2021507271.tif 000015
が、次いで、図２０ＢにおけるチャネルＡおよびＢのコヒーレント和によって与えられる。
【化１４】
2021507271.tif 000016
式中、便宜上、
【化１５】
2021507271.tif 000017
および
【化１６】
2021507271.tif 000018
は、同一であって、両ＲＦ  Ｒａｂｉ周波数は、同一である（その両方とも、良好な近似に該当する）と仮定されている。これらの仮定は、重要ではないが、数学を解明することに役立つ。光学位相
【化１７】
2021507271.tif 000019
および
【化１８】
2021507271.tif 000020
は、変調結合レーザビームの全ての周波数成分が正確な同一幾何学的経路を辿るため、明確に定義され、ドリフトを受けにくい。有用な光学構成要素として、変調カプラレーザビーム内の４プリズム位相制御要素または均等物が、光学位相
【化１９】
2021507271.tif 000021
と
【化２０】
2021507271.tif 000022
との間の差異を制御するために使用される。前の方程式から、正味結合が以下の形態をとることが分かる。
【化２１】
2021507271.tif 000023
式中、
【化２２】
2021507271.tif 000024
は、（複合）位相独立前因子であって、Φは、カプラビーム内の分散制御要素２００３を用いて調節され得る、オフセット位相である（図２０Ａでは、これは、プリズムユニット２００５を左／右に偏移させることによって行われる）。スペクトル内で観察される、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ線の強度は、概して、
【化２３】
2021507271.tif 000025
に比例するため、ＥＩＴ線強度は、
【化２４】
2021507271.tif 000026
に比例する。ＥＩＴ線強度は、したがって、ＲＦ場に関する位相情報を搬送する。５ＰからｎＰへの遷移は、禁止されることに留意されたい。したがって、カプラビーム搬送波（図２４ｂにおける薄青色線）は、分析に付加的項を導入しない。より一般的場合では、そのような項は、当然ながら、含まれ得る。さらに、前因子
【化２５】
2021507271.tif 000027
の大きさは、カプラビーム内の分散制御要素に伴ってΦを変動させながら、ピークＥＩＴ線強度を見出すことによって、判定されることができる。
【化２６】
2021507271.tif 000028
に関する取得されるピーク値は、次いで、
【化２７】
2021507271.tif 000029
を明らかにし、これは、ひいては、ＲＦ電場の大きさをもたらす。このように、ＥＲＦおよび
【化２８】
2021507271.tif 000030
の両方が、測定されることができる。
【０１３８】
本説明では、ＲＦ場位相（および振幅）測定能力は、光学周波数変調を介してＲＦ参照波を導入することによって遂行される。本アプローチの新規性は、量子ＲＦ感知要素内の原子に直接印加されるレーザビームの光学変調と置換することによって、外部ＲＦ参照波の必要性を排除するという点にある。実際は、参照波はまた、図５Ａおよび５Ｂに図示されるようなセル統合電極またはキャビティ構造（ハイブリッド式システム）を使用して、もしくは外部参照波を使用することによって、原子ベースのＲＦ感知要素内の感知原子の場所にも導入され得る。
原子蒸気セル内の変調ＲＦ検出
【０１３９】
電気通信用途のために、変調ＲＦ場の検出が、所望される。＜１００ｎｓのＥＩＴ応答時間に起因して、高周波数場の振幅および周波数変調が、直接、量子干渉に依拠せずに、原子ベースの感知要素をＲＦ／光学変換器として使用して検出されることができる。同様に、ＲＦ位相変調検出は、上記に説明される位相検出能力から得られる。以下では、典型的シナリオが、説明される。
【０１４０】
音響周波数におけるＡＭ変調：約１００ＭＨｚ〜数１００ＧＨｚの任意の搬送波周波数におけるＦｌｏｑｕｅｔマップ内の大部分のＲｙｄｂｅｒｇ状態は、数千デバイに及ぶ大きさを伴う、微分動的双極子モーメントを呈する。マップ上のＥＩＴ線は、カプラおよびプローブＲａｂｉ周波数によって与えられる線幅を有する。変調目的のために、中程度のプローブおよび大カプラＲａｂｉ周波数が、ＡＭに対して高速ＥＩＴ応答時間を維持し、ＥＩＴ線を数十ＭＨｚまで広げるように、使用されてもよい。搬送波ＲＦがＥＩＴ試験セルに印加され、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ線の変動点のうちの１つ上でカプラレーザ周波数の動作点を選定すると、ＲＦ信号のＡＭは、ＥＩＴ感知要素のフォトダイオード読取における直接応答につながるであろう。微分双極子モーメントｄに関して、場内のＡＭ深さｄＥは、ｄＥ＜ｈ×ｄＬ／ｄでなければならず、式中、ｄＬは、ＥＩＴ線幅である。故に、相対的変調深さは、ｄＥ／Ｅ＜ｈ×ｄＬ／（Ｅｄ）である。本値は、正確な条件および感度要件に応じて、数１０％から１％まで及び得る。
【０１４１】
本発明の一実施形態によると、マイクロホン、線形増幅器、および電圧制御ＲＦ減衰器を使用して、音響信号に変換し、ＡＭ変調ＲＦ試験場を生産してもよい。ＥＩＴ試験信号は、アンテナまたはマイクロ波ホーンを使用して伝送される。ＥＩＴセルは、受信機として使用される。説明されるように動作点を選定することによって、ＥＩＴプローブフォトダイオード信号は、音響周波数範囲を伝送させる、帯域通過を通して送信される。検出された信号は、増幅され、記録デバイスおよび／またはラウドスピーカに送信される。本方法では、受信機側（ＥＩＴセルおよびＥＩＴプローブレーザ信号の処理）において、復調は、要求されないことに留意されたい。ＥＩＴ物理学は、復調器としての役割を果たす。同一受信機原理は、他の場所からＡＭ変調伝送を検出するときにも適用されることができる。アンテナ受信機の中に組み入れられる、ＥＩＴセンサセルは、光学的に結合されるため、それに基づくＡＭ受信機は、高度に耐ＥＭＩおよびＥＭＰ性であって、通常動作条件下で敏感なＡＭ無線受信機を構成しながら、高電圧スパイクに耐えることができる。ＦＭ場の変調は、類似方式において実装されることができる。
インコヒーレントＲＦ場およびＲＦ雑音測定能力
【０１４２】
本発明に先立って、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴシステムは、Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ分裂がコヒーレント場の相互作用を要求するため、コヒーレントＲＦ場のみを特性評価することが可能であった。その物理的制約は、ここで説明されるように、本発明に従って初めて取り除かれた。本発明のある実施形態による、ＲＦ雑音属性を定量化する際のステップが、ここで、図２２を参照して説明される。第１のステップ２２０１では、インコヒーレントＲＦ雑音場の存在下の所定のＲｙｄｂｅｒｇ原子エネルギーレベルまたはＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトルが、計算される。雑音の存在下のＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴのモデルは、以下の節に提示される。測定光が、原子蒸気セル内で伝搬され（２２０３）、原子蒸気のスペクトル特徴が、測定される（２２０５）。測定および計算されたスペクトル特徴が、比較され（２２０７）、合致されるスペクトルが、識別される（２２０９）。これは、スペクトル雑音密度、スペクトルパワー、電場振幅、偏光、ＲＦ雑音場伝搬方向、およびそのようなＲＦ雑音を放出し得る、ホーンアンテナの利得等の源特性を含む、インコヒーレントＲＦ雑音の存在およびＲＦ雑音の属性を定量化するステップ（２２１１）を提供する。
【０１４３】
原子蒸気内のＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴおよびＡｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓを用いたＲＦ電場測定では、ＥＩＴプローブビームは、２つの原子レベル｜１＞および｜２＞を結合し、ＥＩＴ結合ビームは、レベル｜２＞をＲｙｄｂｅｒｇレベル｜３＞に結合し、測定されるべきＲＦ場は、レベル｜３＞を別のＲｙｄｂｅｒｇレベル｜４＞に結合する。ＲＦ駆動遷移のＲａｂｉ周波数ΩＲＦが、次いで、ＥＩＴスペクトル内で観察される２つの線のＡｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｓ（ＡＴ）分裂において明白となり、これは、ひいては、基本原子物理学計算を介して、電場につながる。本タイプの原子ベースのＲＦ電場測定におけるブロードバンドＲＦ場雑音の影響を考慮するために、ブロードバンドマイクロ波雑音の影響の定量的説明が、要求される。考慮される状況は、マイクロ波増幅器が、典型的には、ブロードバンド雑音を増幅器の出力に追加するため、非常に一般的であり得る。すなわち、雑音は、したがって、原子ベースの電場測定に影響を及ぼすであろう。
【０１４４】
汎用実験試験状況に準拠するために、本処理では、その振幅が測定されるべきコヒーレントマイクロ波信号と雑音信号の両方が、ホーンの遠方場限界を上回る距離に位置する、共通マイクロ波ホーンからから伝送されると仮定される。本明細書に説明される基本理論は、雑音誘起影響の物理学を提示するために十分である。理論は、後に、より一般的タイプの場幾何学形状を網羅するように拡張され、より広範囲使用に広げることができる（実質的に新しい基本物理学洞察を追加せずに）。
【０１４５】
Ｒｙｄｂｅｒｇ−原子系に及ぼすブロードバンド雑音の影響は、２つの主要部分から成る。コヒーレント源（レーザ、コヒーレントマイクロ波放射）によって取り込まれる、Ｒｙｄｂｅｒｇレベル｜３＞および｜４＞は、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態間の遷移に伴って共鳴する雑音スペクトルの周波数成分に起因して、他のＲｙｄｂｅｒｇレベルに遷移し得る。本プロセスは、黒体放射によって駆動される減衰に類似する。放射場が量子化され、遷移率がＦｅｒｍｉの黄金律ならびに可能性として考えられる場偏光および利用できる最終角運動量状態にわたる総和から取得される、通常の処理は、（マイクロ波ホーンの幾何学形状によって与えられる）明確に定義された偏光および伝搬方向を有する雑音場に適用されるように修正される必要がある。また、場の黒体エネルギー密度は、状況特有の雑音特性によって置換されなければならない。原子の場所では、雑音は、既知であり得るか、または実際には研究の対象であり得るかのいずれかである、スペクトル強度、すなわち、Ｗ／（ｍ２Ｈｚ）で測定される、周波数間隔あたりの雑音強度を有する。
【化２９】
2021507271.tif 000031
【０１４６】
測定されるべきコヒーレントマイクロ波場および雑音が、同一マイクロ波ホーンを介して、原子に印加され、原子が、そのホーンの遠距離に位置する、仮定されたＲＦ場試験シナリオをモデル化するために、１つの寸法（ホーンから発出するマイクロ波場の伝搬方向）のみにおいて場を量子化し、固定場偏光を仮定する。初期状態｜ｉ＞から最終状態｜ｆ＞への雑音誘起遷移率Ｒｆｉに関して、分析は、以下であることを示す。
【化３０】
2021507271.tif 000032
式中、ｎは、場偏光単位ベクトルであって、νｆｉは、遷移周波数（Ｅｆ−Ｅｉ）／ｈであって、ＥｆおよびＥｉは、初期および最終Ｒｙｄｂｅｒｇレベルのエネルギーを示す。これらの率は、ＳＩ単位であって、「原子あたりかつ秒あたり」単位を有する。Ｒｉｆ＝Ｒｆｉであることに留意されたい。所与の着目状態（本場合では、｜３＞および｜４＞と標識される）に関して、既知の雑音スペクトルＩν（｜ν｜）に関する率Ｒｆｉを計算する。
【０１４７】
仮定された測定シナリオでは、測定されるべきコヒーレントマイクロ波場は、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態｜３＞と｜４＞との間の遷移を駆動する。雑音スペクトルが、遷移｜３＞および｜４＞を網羅する場合、雑音誘起遷移が、等率Ｒ３４＝Ｒ４３を伴う２つの雑音誘起双方向減衰項の形態において、Ｍａｓｔｅｒ方程式内に含まれなければならない。さらに、レベル｜３＞または｜４＞もしくは両方を伴う任意のオフ対角線密度行列要素のコヒーレンス減衰率内に、Ｒ３４およびＲ４３を含むことが必要である。
【０１４８】
コヒーレントに駆動される｜３＞←→｜４＞遷移と異なる遷移｜３＞→｜ｆ＞および｜４＞→｜ｆ＞に関して、雑音は、Ｒｆ３＝Ｒ３ｆおよびＲｆ４＝Ｒ４ｆの原子あたりの率で遷移を駆動する。雑音取込レベル｜ｆ＞は、雑音誘起遷移がランダム量子位相を有するため、相互およびレベル｜１＞−｜４＞のいずれとの間にもコヒーレンスを有していないことに留意されたい。故に、雑音に起因してレベル｜３＞から取り込まれた状態にある、全てのレベル｜ｆ＞は、仮説上のレベル｜ｄ＞にまとめられ得る。同様に、レベル｜４＞から取り込まれた状態にある、全てのレベル｜ｆ＞は、仮説上のレベル｜ｅ＞にまとめられる。電気双極子選択ルールに起因して、仮説上のレベル｜ｄ＞（｜３＞からの雑音によって取り込まれた状態にある）にまとめられるレベルと仮説上のレベル｜ｅ＞（｜４＞からの雑音によって取り込まれた状態にある）にまとめられるレベルとの間には、重複が存在しない。
【０１４９】
仮説上のレベルへの正味率は、以下となる。
【化３１】
2021507271.tif 000033
また、Ｒｄ３＝Ｒ３ｄおよびＲｅ４＝Ｒ４ｅとなる。雑音はまた、同一場量子化モデルに基づいて、二次摂動理論を使用して計算される、ＡＣ偏移を誘起する。レベル｜ｉ＞＝｜３＞または｜４＞の偏移は、以下のように見出される。
【化３２】
2021507271.tif 000034
【０１５０】
積分限界νｍｉｎおよびνｍａｘは、雑音スペクトル全体が被覆されるために十分に広く選定される。νｆｉ３項に起因して、遷移周波数の符号は、重要である（予期される通り）ことに留意されたい。レベル｜３＞および｜４＞のＡＣ偏移は、雑音誘起離調項としてＭａｓｔｅｒ方程式の中に追加される必要があるであろう。それらを仮説上のレベル｜ｄ＞および｜ｅ＞にまとめることを介してモデル内に含まれる、全ての他のＲｙｄｂｅｒｇレベルの雑音誘起ＡＣ偏移は、重要ではない。
【０１５１】
上記の３つの方程式を比較すると、ＡＣ偏移は、減衰よりも計算することが困難であることが分かる。減衰に関しては、雑音帯域内にある周波数に伴う遷移のみが、影響を有し、雑音スペクトル密度は、これらの周波数においてのみ要求される。典型的には、レベル｜３＞または｜４＞を伴う、いくつかのみの（時として、全く存在しない場合もある）Ｒｙｄｂｅｒｇ−Ｒｙｄｂｅｒｇ遷移が、雑音帯域内にある。対照的に、雑音帯域の外側の周波数に伴う遷移を含む、レベル｜３＞または｜４＞を伴う全ての許容遷移が、原理上、上記の方程式では関連する。また、これらの遷移毎に、雑音帯域全体にわたる積分が、評価される必要がある。雑音帯域内の遷移に関して、極性のため、ある程度の配慮が、払われる必要がある。
【０１５２】
上記の方程式を評価するために、雑音スペクトル強度関数Ｉν（ν）を要求する。多くのシナリオでは、ユーザは、スペクトル分析器を使用して、ホーンの中に注入される雑音のパワースペクトル密度関数ｄＰ／ｄνを測定することが可能であろう。教本において利用可能な伝搬方程式は、次いで、Ｉν（ν）に関する方程式をもたらす。
【化３３】
2021507271.tif 000035
式中、ｄＰ／ｄνは、単位Ｗ／Ｈｚにおいて、メートル単位のホーンからの距離ｘに挿入される。スペクトルパワーｄＰ／ｄνは、ホーンの中に注入される総雑音パワーに積分するように正規化される（ワット単位で）。ホーンに関する線形利得ｇＬ（ν）は、典型的には、ホーンの製造業者の仕様によって提供される。Ｉν（ν）の結果は、次いで、雑音誘起減衰率およびＡＣレベル偏移を求めるために、上記の方程式に入力される。
【０１５３】
上記の方程式の結果を用いて、本問題の４階Ｍａｓｔｅｒ方程式が、二次までの雑音の影響を含むように拡張され得る。Ｍａｓｔｅｒ方程式の状態空間は、個別のレベル｜３＞および｜４＞（その電場が測定されるべきコヒーレントマイクロ波信号によって結合されるレベル）からの雑音によって伝達される、正味集団ρｄｄおよびρｅｅを保持するであろう、仮説上の「レベル」｜ｄ＞および｜ｅ＞によって改訂される。改訂されたＭａｓｔｅｒ方程式は、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態｜３＞および｜４＞のレベル集団に関する付加的項を方程式内に含む。
【化３４】
2021507271.tif 000036
【０１５４】
レベル｜３＞および／または｜４＞を伴うコヒーレンスの減衰に関する方程式もまた、それらが、全てのＲ３ｄ、Ｒ３ｅ、およびＲ３４項を含むように改訂される必要がある。仮説上のレベル｜ｄ＞および｜ｅ＞に関する新しい方程式は、以下である。
【化３５】
2021507271.tif 000037
修正されたＭａｓｔｅｒ方程式は、仮説上のレベルに関する任意のコヒーレンスに関する方程式を含まない（仮説上のレベルを伴うコヒーレンスは、常時、恒等ゼロである）。全てのこれらの項を伴う標準的４階Ｍａｓｔｅｒ方程式を改訂後、標準的方法を使用して解法されカプラレーザ周波数の関数として、コヒーレンスρ１２が求められ、これは、ＥＩＴスペクトルを抽出するために必要とされる。
【０１５５】
モデルＥＩＴスペクトルは、例えば、使用される所与の原子蒸気およびセル温度に関するカプラレーザ離調α（ΔＣ）の関数として、媒体中のＢｅｅｒの吸収係数を算出することによって、取得されることができる。これは、各速度クラスがカプラおよびプローブビームのその独自のドップラー偏移を有するため、セル内のＭａｘｗｅｌｌ速度分布にわたる積分を伴うことに留意されたい。入力と出力プローブパワーの比率が、次いで、ｅ−αＬによって与えられ、式中、Ｌは、セル長である。全ての実験的に利用可能な入力および全ての雑音駆動遷移に関する算出された原子特有の行列要素＜ｆ｜ｒ｜ｉ＞を使用後、モデル結果を調節するために残っている適合パラメータは存在しないことに留意されたい。これは、ブロードバンド雑音の影響下のＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ−ＡＴスペクトルの測定およびモデル化されたスペクトルを比較するとき、絶対無適合一致をもたらす。
強原子場相互作用領域を使用した連続周波数ＲＦ電場測定能力
【０１５６】
本用語が本明細書で使用されるように、用語「強原子場相互作用領域」は、２処理が観察されるスペクトル線分裂を説明するために十分となる、Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ領域のものを超える電場強度によって特徴付けられる、マイクロ波場を指す。強原子場相互作用領域内におけるＲＦ電場を測定するために、Ｆｌｏｑｕｅｔ状態は、高密度状態、全体を通して変動する微分動的双極子モーメント、および複数の擬交差を呈すると見なされる。そのような処理は、第１の時間本発明のある実施形態に従って初めて提案される。
プラズマ診断
【０１５７】
本発明の実施形態による、ある方法は、プラズマ場、粒子相互作用、およびパラメータの測定のための、プラズマ埋設粒子またはプラズマ成分上で電磁波誘起透明化を使用した、プラズマ診断と称され得る。大ダイナミックレンジを伴う高度に敏感な局所電場センサとしての役割を果たす、プラズマ埋設Ｒｙｄｂｅｒｇ原子のエネルギーレベル偏移の高分解能量子光学プローブとして、電磁波誘起透明化（ＥＩＴ）または電磁波誘起吸収（ＥＩＡ）を採用する、プラズマ場測定および診断のための方法が、説明される。
【０１５８】
ＥＩＴベースのプラズマ診断の一実施形態が、ここで、図２３Ａ−２３Ｃを参照して説明される。ＥＩＴのために好適なルビジウムまたは別の種のトレーサ粒子が、その発生の間、プラズマ２３００の中に組み込まれる。トレーサ原子は、ＥＩＴを使用して光学的に照会され、ＥＩＴビーム２３０３は、示されるように、プラズマ内のトレーサ原子と空間的に重複される。関連原子レベル構造およびＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ構成が、図２３Ｃにおいてルビジウム原子に関して図示され、これは、その周波数が５Ｓ１／２から５Ｐ３／２Ｄ２の遷移に伴って共鳴する、７８０ｎｍプローブレーザビーム２３２０と、その周波数が５Ｐ３／２からＲｙｄｂｅｒｇ状態の遷移の周囲で走査される、対向伝搬する４８０ｎｍカプラビーム２３２２から成る。本実施例では、５８Ｓ  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態が、選定される。ＥＩＴビームは、重複され、ビームウェストに集束され、プラズマ２３００内のＥＩＴ信号強度および所望の空間分解能を最適化する（典型的には、約１００マイクロメートル）。プローブビーム伝送が、読取のために、光検出器２３０６上で検出される。カプラビームが、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態共鳴を横断して走査されるにつれて、カプラ周波数が、５ＰからＲｙｄｂｅｒｇ状態への共鳴に合致し、プローブビーム伝送内の低減が、検出されると、トレーサ原子は、プローブ光に対して透明になる。このように、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ分光法が、プラズマ環境（場、粒子）を受けやすい、プラズマ内のトレーサ原子上で実施される。ＥＩＴスペクトルから、プラズマ場および粒子に関する情報が、次いで、プラズマ誘起Ｒｙｄｂｅｒｇ線偏移および線形状変化から取得され、これは、高精度まで計算されることができる。
【０１５９】
低角運動量Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の偏光率は、約ｎ７としてスケーリングされ、ｎは、主量子数である。本強スケーリングは、カプラレーザ周波数を同調させ、測定のための所望のＲｙｄｂｅｒｇレベルを標的化することによって、診断のための広場測定および感度範囲をもたらす。
【０１６０】
プラズマ科学および用途では、プラズマは、プラズマの特性に直接影響を及ぼす、磁場を使用して閉じ込められることができる。さらに、プラズマの内側の電荷電流から生じる磁場自体が、着目される。ＥＩＴプラズマ診断はまた、同一方法論に従って、プラズマ磁場の測定のために使用されることができる。磁場内のＲｙｄｂｅｒｇ原子の計算されたスペクトルならびに組み合わせられた磁気および電場内のスペクトルは、例えば、磁気的に閉じ込められたプラズマ内のトレーサ原子から測定されたＥＩＴスペクトルが、その対応する電気および／または磁場上にマッピングされることを可能にする。
【０１６１】
図２３Ｂを参照して説明される、診断の別の実施形態では、トレーサ原子群２３３０が、磁気光学的トラップ内に収集され、パルス状プッシャビーム２３３４を使用して、着目プラズマの中に注入される原子等、冷却原子源２３３２から発生される。同様に、高温原子または分子のパルス状ビームが、使用され得る。原子は、プラズマの中に播種され、そこで、それらは、プラズマおよびその環境と相互作用することができる。原子は、次いで、プラズマ内の原子群と空間的および時間的に重複される、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴ光学プローブ２３３６を使用して光学的に照会される。光学プローブ伝送も同様に、読取および分析のために、光検出器２３０６上で検出される。本構成では、プラズマを通して通過し、プラズマと相互作用するにつれた原子群からの衝突誘起損失を介して、または同様に、原子とプラズマ成分との間の相互作用から生じる電荷／分子の検出によって、プラズマ密度に関する付加的情報を提供する、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）等の粒子コレクタ／検出器２３４０もまた、統合され、原子群束を測定するために使用され得る。
原子高磁場センサおよび測定方法
【０１６２】
本発明のさらなる実施形態によると、高磁場感知および測定のための新しいプローブ技術の基礎となる、方法が、開示される。
【０１６３】
本明細書に説明される場測定方法は、小（約１ｃｍ直径またはそれ未満）ガラスセル内にカプセル化された低密度原子蒸気の原子分光法に基づく。原子ベースの場測定方法では、レーザビームが、Ｚｅｅｍａｎ効果によって生じる磁気場誘起原子エネルギーレベル偏移を測定するために使用される。高度な実装ではまた、強場内でより高い感度に到達するために、高度に励起されたＲｙｄｂｅｒｇ原子の磁場に対する強化された反磁性応答を利用することが提案される。数時間０．１Ｔを数倍上回る磁場は、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態の超微細レベルを複数のＺｅｅｍａｎサブレベルに分裂し、弱場（線形Ｚｅｅｍａｎ）領域からＰａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ領域の中に遷移する。結果として生じる飽和吸収スペクトルは、著しくより拡散する、線を呈し、交差共鳴は、核の分離および電子スピンのため消失する。それらの間の絶対線位置および相対的分離は、優れた磁気場マーカである。
【０１６４】
図２５Ａに描写される、飽和分光法は、ドップラー効果によって生じる不均質線の広がりを排除するための周知の方法である。これは、原子および分子遷移ならびに外部場によって生じるその偏移についての正確な分光情報を取得することが要求される、科学および技術における広範囲の用途を有する。弱磁場内のアルカリ原子の飽和分光法では、図２５Ａにおいて｜２＞および｜２’＞として記号的に示される、励起された状態の超微細レベルは、ドップラー幅未満によって分裂され、所与のドップラーによって広げられた吸収線のプローブレーザスペクトル内の複数の飽和ピークおよび交差共鳴につながる。教本の量子力学から公知のように、０．１Ｔの数倍を上回る磁場では、超微細レベルは、複数のＺｅｅｍａｎサブレベルに分裂し、弱場（線形Ｚｅｅｍａｎ）領域からＰａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ領域の中に遷移する。結果として生じる飽和吸収スペクトルは、著しくより拡散する、線を呈し、交差共鳴は、核の分離および電子スピンのため消失する。それらの間の絶対線位置および相対的分離は、優れた磁気場マーカである。
【０１６５】
強磁場は、本発明によると、図２４Ａ−２４Ｃに描写されるように、Ｒｙｄｂｅｒｇレベルの標準的飽和分光法を使用してか、またはそうでなければ、図２５Ａ−２５Ｃに示されるように、３つのレベル原子構造内の２つの励起経路が、利用されるレーザビームのうちの１つの伝送に破壊的に干渉し、その増加を生産する、量子干渉プロセスを使用してかのいずれによって測定されてもよい。個別の場合では、図２４Ａおよび図２５Ａは、２および３レベルシステムのための個別の量子レベルスキームを示す一方、図２４Ｂおよび２５Ｂは、原子蒸気セル１０６の中への電磁場の結合を示す。図２４Ｃは、０．７Ｔ磁場内のルビジウムの飽和スペクトルをプロットする。線位置およびその相対的分離は、分光セル内に存在する磁場を明らかにする。
【０１６６】
図２５Ａ−２５Ｃに描写されるＥＩＴの分光方法では、３レベル原子構造内の２つの励起経路が、利用されるレーザビームのうちの１つの伝送に破壊的に干渉し、その増加を生産する、量子干渉プロセスが、使用される。結果として生じるＥＩＴ伝送窓は、原子エネルギーレベルおよび任意の外部場（ここでは、磁場）に対するその応答のための便宜的光学読取を提示する。Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴカスケードスキームでは、透明化は、基底状態およびＲｙｄｂｅｒｇ状態のコヒーレント重畳によって形成される。Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴは、冷却原子ガスおよび図１に描写されるもの等の室温蒸気セルの両方内に実装されている。
【０１６７】
ルビジウムの飽和およびＥＩＴ分光法に最も関連する原子状態は、ルビジウムの５Ｓ１／２基底、５Ｐ３／２励起、ならびにｎＳ１／２、ｎＤ５／２、およびｎＤ３／２  Ｒｙｄｂｅｒｇ状態である。着目磁場では、これら全て、超微細構造のＰａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ領域内にある。中間状態は、微細構造の（線形）Ｚｅｅｍａｎ領域内にある一方、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態は、典型的には、微細構造のＰａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ領域内にある。また、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態は、典型的には、原子反磁性に起因して、強偏移を有する。
【０１６８】
その大サイズに起因して、Ｒｙｄｂｅｒｇ原子は、大反磁性偏移を被る。Ｓ型Ｒｙｄｂｅｒｇ状態に関して、Ｒｙｄｂｅｒｇ状態エネルギー偏移は、原子単位において、以下となる。
【化３６】
2021507271.tif 000038
式中、ｎ、ｌ、ｍｌ、ｍｓは、それぞれ、主量子、角運動量、磁気軌道、およびスピン量子数である。Ｓ状態に関して、
【化３７】
2021507271.tif 000039
である。座標ｒおよびｑは、Ｒｙｄｂｅｒｇ電子の球状座標（ｚに沿った磁場点）である。偏移は、スピンＺｅｅｍａｎ項（右辺の第１の項）と、反磁性項（右辺の第２の項）とから成る。個別の微分磁気モーメントは、磁場Ｂに対する負の導関数である。Ｂｏｈｒマグネトロンは、原子単位において１／２であって、半径方向行列要素は、ｎ４としてスケーリングされ、Ｂｏｈｒマグネトロン内の反磁性微分磁気モーメントは、ｎ４Ｂ／２であることに留意されたい。１テスラ場（原子単位において４．２５×１０−６）では、反磁性は、ｎが約２５より大きいとき、常磁性（スピン）微分双極子モーメントを超える。容易に到達可能である、ｎ＝５０では、反磁性は、約１６倍の常磁性微分双極子モーメントを超える。故に、強磁場では、Ｒｙｄｂｅｒｇ原子の反磁性効果は、小磁場変動に対する数桁の感度の増加をもたらす。量子カオス挙動の役割を含む、付加的側面は、Ｍａ  ｅｔ  ａｌ．の「Ｐａｓｃｈｅｎ−Ｂａｃｋ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ａｎｄ  Ｒｙｄｂｅｒｇ−ｓｔａｔｅ  ｄｉａｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ｉｎ  ｖａｐｏｒ−ｃｅｌｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  ｉｎｄｕｃｅｄ  ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ」Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ．，ｖｏ．９５，０６１８０４（Ｒ）（２０１７年６月２７日）（参照することによって本明細書に組み込まれる）に議論される。
【０１６９】
本発明のある実施形態による、磁場属性を定量化する際のステップが、ここで、図２１を参照して説明される。第１のステップ２１０１では、強磁場内の所定のＲｙｄｂｅｒｇ原子エネルギーレベルまたはＲｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴスペクトルが、計算される。ＦＭ変調測定光が、原子蒸気セル内で伝搬され（２１０３）、原子蒸気のスペクトル特徴が、測定される（２１０５）。測定されたスペクトル特徴は、計算されたスペクトル特徴と比較され（２１０７）、合致されたスペクトルが、識別される（２１０９）。これは、磁場属性を定量化するステップ（２１１１）を提供する。
原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器およびセンサ
【０１７０】
本発明の別の側面が、ここで、図２６Ａおよび２６Ｂを参照して説明される。図２６Ａは、概して、数字２６００によって指定される、ハイブリッド式原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器およびセンサを図式的に描写する。ハイブリッド式原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器およびセンサ２６００は、場に敏感な原子状態の分光法を介して光学的に測定されるセル内電場への着目ＲＦ信号の変換のために、ＲＦ受信機または回路２６０８内に埋設される統合された電極２６０４を伴う、原子蒸気セル２６０２を採用する。原子媒介光学読取へのＲＦ電気信号の直接変換によって、原子ベースの変換器は、パワーまたは電圧の高帯域幅（ＤＣ〜ＴＨｚ）絶対（原子）測定を提供する。６０Ｈｚ電気信号測定におけるそのような原子ベースの変換器の実証は図２６Ｂに示され、有利には、マイクロ波の傍受におけるアンテナの基礎において、ＲＦ受信機要素として採用され得る。測定および受信機の両方の場合において、原子セルの分光読取が、着目電気または電磁信号のパワー同等場を検出および判定するために使用される。
【０１７１】
図２６Ｂは、６つの電圧レベルに関する、電極に印加される６０Ｈｚ電気信号の原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器からの読取のプロットを示す。光学レーザは、場に敏感な原子Ｒｙｄｂｅｒｇ状態に近共鳴し、蒸気を通したプローブレーザの伝送が、検出される。場同等パワーが、次いで、検出された伝送信号と既知の原子応答の比較によって判定される。選定される電極および構造の詳細な幾何学形状ならびに使用される選定材料の電気および熱性質から、原子検出器読取が、ＲＦパワー／電圧の原子較正のために使用されてもよい。
【０１７２】
概して、数字２７００によって指定される、原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器およびセンサが、図２７Ａおよび２７Ｂを参照して説明される。原子ベースの光学ＲＦパワー／電圧変換器およびセンサ２７００は、統合された内部伝導性プレートを伴う、小円筒形セシウム蒸気セルから成る。伝導性プレートまたは電極は、４ｍｍ離間され、それぞれ、その側面のうちの一方において、セル本体に、他側において、窓に融合される、０．５ｍｍ厚のリングである。その結果、セルを通した総経路長は、５ｍｍである。セルの内径および外径は、それぞれ、３．４ｍｍおよび５ｍｍである一方、電極リングの内径および外径は、それぞれ、２ｍｍおよび５ｍｍである。したがって、２つの０．７−ｍｍ厚のリング電極は、蒸気セル内に埋設され、それに対して外部電気接続が行われる。
【０１７３】
原子蒸気２７０１は、原子のＲｙｄｂｅｒｇ状態への励起のために使用される、光学ビームに対して透明の窓２７０５と、発生されたＥＭ場の抽出のために光学的に励起された原子媒体によって発生されたＥＭ場に対して透明である、別の統合された窓２７０７とを伴う、原子蒸気セルコンパートメント２７０３内に含有される。ＥＭフィルタ２７１０は、Ｒｙｄｂｅｒｇ−ＥＩＴプローブならびにカプラビーム１０３および１０４の伝送を不可能にする。
【０１７４】
本発明の本明細書に説明される実施形態は、単に、例示的であるように意図され、変形例および修正が、当業者に明白となるであろう。全てのそのような変形例および修正は、任意の添付の請求項に定義されるような本発明の範囲内であるように意図される。
【０１７５】
本発明の主題に関連する付加的教示はまた、参照することによって本明細書に組み込まれる、以下の刊行物に見出され得る。
・  Ａｎｄｅｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ａ  ｖａｐｏｒ−ｃｅｌｌ  ａｔｏｍｉｃ  ｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｆｉｅｌｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ａ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  ｆｉｅｌｄ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ，”  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．  １１３，  ０７３５０１  （２０１８）
・  Ｓｉｍｏｎｓ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ  （ＥＩＴ）  ａｎｄ  Ａｕｔｌｅｒ−Ｔｏｗｎｅｓ  （ＡＴ）  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｐｒｅｓｅｎｃｅ  ｏｆ  ｂａｎｄ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｗｈｉｔｅ  Ｇａｕｓｓｉａｎ  ｎｏｉｓｅ，”  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  ｖｏｌ．  １２３，  ２０３１０５  （２０１８）．
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
2021507271.tif 000055
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【国際調査報告】
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