基于里德堡原子的微波功率精密测量

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随着科学技术和社会经济的快速发展,计量在各领域的重要作用日益凸显。以中国计量科学研究院为代表的国际计量组织和科研机构在不断追求基本物理量的绝对测量和量值统一,并直接溯源至国际单位制(SI),推动计量由宏观实物基准向量子(自然)基准的快速过渡。微波功率的精密测量一直是国际计量组织和科研机构研究的热点问题之一,论文研究针对于现有的微波功率测量方法无法实现高灵敏度,高准确度的测量,以及无法将量值直接有效的溯源至基本国际单位制等问题,开展了基于里德堡原子量子相干效应的微波功率精密测量的研究,并且对实验测量不确定度进行系统性分析。本论文的主要工作包括:(1)研制出微波功率精密测量装置和相关的量子传感器;设计出一种低电磁扰动的原子气室,通过与普通的原子气室进行比较,发现新型原子气室能够有效的降低气室内部驻波对于实验测量结果的影响,降低测量的不确定度,提高导波系统中微波功率的测量精度。(2)通过对组成微波功率测量系统各项性能的研究与分析,对系统中的部分实验参数进行优化,同时对实验测量结果的不确定度进行系统性分析;在进行不确定度分析时,首先确定不确定度来源,建立不确定度模型,对环境因素、温度、激光功率、非线性效应、原子气室扰动、阻抗匹配等多个因素进行系统性分析,计算出微波功率测量不确定度。(3)在下一步的研究中,为了进一步降低微波功率测量的不确定度,减小原子气室对于实验结果的影响,提高测量精度,提出一种真空量子测量设备,该设备有望能够解决由于气室内部谐振及电磁散射效应对测量精度的影响问题。里德堡原子测量微波功率的方法相比于传统功率测量,可直接溯源至基本物理常数,具有更高的测量精度以及较小的不确定度,上述工作为建立可直接溯源至国际单位制的微波功率计量标准提供了理论基础与技术支撑。
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