Denna figur visar en typisk experimentell inställning när man utför den atombaserade SI-spårbara elektriska fältmätningen. I denna inställning, ångcellen är begränsad till det optiska bordet. Kredit:NIST
Under de senaste decennierna har mobiltelefoner och andra trådlösa enheter har blivit centrala inslag i livet runt om i världen. Dessa enheter utstrålar varierande mängder elektromagnetisk energi och projicerar därmed elektriska fält in i det omgivande rummet. Det är av avgörande betydelse för design och distribution av dessa enheter att de har exakta och spårbara mätningar för elektriska fält och utstrålad effekt. Tills nyligen, dock, det var inte möjligt att bygga självkalibrerande sonder som kunde generera oberoende och absoluta mätningar av dessa elektriska fältvärden.
"Befintliga elektriska fältprober förlitar sig på en kalibreringsprocess som utgör något av ett kyckling-och-ägg-dilemma, "sa Christopher L. Holloway, en forskare vid National Institute of Standards and Technology. "För att kalibrera en sond, vi måste använda ett känt fält. Men för att ha ett känt område, vi måste använda en kalibrerad sond."
För att lösa detta problem, Holloway och hans kollegor har utvecklat en ny metod för att mäta elektriska fält och en ny sond för att utföra sådana mätningar. De delar sitt arbete denna vecka i Journal of Applied Physics .
"Grunden för vår metodik är en välstuderad teknik som kallas 'Electromagnetically Induced Transparency' (EIT). EIT involverar ett medium som normalt absorberar ljus, och använder ett system med två lasrar inställda på övergången mellan tillstånden för atomerna i mediet för att göra mediet transparent, "Sa Holloway.
"En av våra viktigaste innovationer innebär spännande alkalitomer i ett medium till en Rydberg, eller högenergi, stat. Under dessa omständigheter, ett radiofrekvent elektriskt fält kan användas för att excitera atomerna till nästa atomövergångstillstånd, får EIT-signalen att delas i två, "sade Holloway." Splittringen av EIT -signalspektrumet mäts enkelt och är direkt proportionell mot den applicerade radiofrekvensen elektriska fältamplituden. "
Foto av den första fiberkopplade ångcellen för elektriska fältmätningar. Det fiberkopplade sensorhuvudet (dvs. ångcellen) kan flyttas från det optiska bordet för enkel användning, vilket är användbart vid mätningar av fältstyrka, och för nära fält- och subvåglängdsavbildningstillämpningar. Kredit:NIST
Nettoresultatet är att ett elektriskt fälts styrka kan beräknas genom att mäta frekvensen med en hög grad av noggrannhet och genom att använda Plancks konstant, som snart kommer att erkännas som en definierad enhet av International System of Units (SI). Som följd, denna mätteknik har en direkt SI-spårbarhetsväg, en viktig egenskap för internationella metrologiorganisationer. Det skulle också anses vara självkalibrerande eftersom det är baserat på atomresonanser.
Utöver dessa metodiska förbättringar, den nya tekniken lovar att dramatiskt utöka omfattningen av elektriska fält som kan mätas.
"För närvarande, det finns inget sätt att utföra kalibrerade mätningar av elektriska fält med frekvenser som överstiger 110 GHz, "Holloway sa." Denna nya teknik löser detta problem och kan möjliggöra kalibrering av elektriska fält med frekvenser så stora som en terahertz. Denna utökade bandbredd kommer att vara relevant för framtida generationer av trådlösa mobila telekommunikationssystem."
"En annan viktig fördel är att den möjliggör mycket liten rumslig upplösning vid avbildning av mikrovågor. I princip det bör möjliggöra avbildning av mikrovågsfältdistributioner med en upplösning i storleksordningen optiska våglängder, många storleksordningar mindre än mikrovågsvåglängder. Detta kan vara särskilt användbart för mätning av elektriska fält i biomedicinska områden, "Sa Holloway.
Holloway och hans kollegor har designat en sond som består av en fiberkopplad ångcell som kan användas för att mäta elektriska fält med denna nya teknik. Går framåt, de tänker samarbeta med andra samarbetspartners för att minimera tekniken.
