一种利用原子共振测量电场的新方法

　　在过去的几十年里，移动电话和其他无线设备已经成为全球生活的中心特征。这些装置辐射出不同数量的电磁能，从而将电场投射到周围的空间中。这些装置的设计和部署对电场和辐射功率的精确和可追踪测量是至关重要的。然而，直到现在，建立一种自动校准探头实现这些电场值的独立和绝对测量仍是十分困难的。

　　美国国家标准与技术研究所的科学家Christopher L. Holloway说：“现有的电场探针依赖于一个校准过程，造成了鸡生蛋还是蛋生鸡的两难境地。为了校准探头，我们必须使用已知的磁场。但是要有一个已知的场，我们必须使用一个已经校准好的探针。”

　　为了解决这个问题，Holloway和他的同事们已经开发出一种新的测量电场的方法和一种新的探头来进行测量。他们在本周的《应用物理学》杂志上分享了他们的工作。

　　我们所用的方法的基础是一种被研究得很好的技术，称为电磁自感应透明技术（EIT）。电磁自感应透明技术涉及一种通常吸收光的介质，并使用两个激光器调谐介质中原子的状态之间的跃迁，从而使介质透明。”Holloway说。

　　我们的主要创新之一是激发介质中的碱原子到里德堡态或高能态。Holloway说：“在这种情况下，可以利用射频电场激发原子到下一个原子跃迁态，从而使电磁自感应透明技术信号分裂成两个。电磁自感应透明信号频谱的分裂很容易测量，并且与所施加的射频电场振幅成正比。

　　上图所示，首次用于电场测量的光纤耦合蒸汽池的照片。光纤耦合传感器头（即，蒸汽池）可以在光学平台上移动以便于操作，这对于场强测量和近场和亚波长成像应用都是有用的。

　　实验最终的结果是，电场的强度可以通过高精度的频率测量和使用普朗克常数来计算，这个常数将很快被国际单位制（SI）定义为单位。作为一种必然结果，这种测量技术具有直接追溯国际单位制的测试特点，这是国际计量组织的一个重要特征。它也被认为是自校准的，因为它是基于原子共振的。

　　除了这些方法上的改进外，这种新技术有望极大地扩展可测量的电场的范围。

　　Holloway说：“目前，还没有办法对频率超过110千兆赫的电场进行校准测量。而这种新技术解决了这个问题，并允许校准测量频率为一个太赫兹大的电场。这种扩展的带宽将与未来的无线移动通信系统结合紧密。”

　　“另一个重要的好处是它可以在成像微波时获得很小的空间分辨率。原则上，它应该允许对微波场分布进行成像，其分辨率取决于光波波长的顺序，比微波波长要小许多的数量级。这对于测量生物医学领域的电场特别有帮助，”Holloway说。

　　Holloway和他的同事们设计了一种由光纤耦合的蒸汽池组成的探针，可以用这种新技术测量电场。展望未来，他们打算与其他合作者继续致力于这种技术的小型化研究。