米乐m6官方网站（所长：石村和彦）（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部（研究主任：岛田洋三）高频标准研究组首席研究员 Hajime Kinoshita 开发了微波偏振分离成像技术，利用原子的弱磁性来分离和可视化不同偏振的微波。
代表电磁波的振动方向极化是信号分离、干扰抑制、探索分析多样化的重要参数。因此，在手机、雷达探测、食品和基础设施设备无损检测等各种电子设备中使用的高频电路的设计和评估中，需要将电磁波的空间分布分离和测量为不同振动方向的极化波。
迄今为止在 AIST，铯原子的双共振的现象，铯原子同时吸收微波和近红外光，将微波转化为近红外光荧光来高速、高分辨率地可视化微波的空间分布。并用 CCD 相机对其进行成像。然而，这种可视化技术只能测量所有微波偏振的组合。新开发的技术专注于铯原子的弱磁性，通过精确控制它，可以分离和可视化每个极化的微波强度的空间分布。结果，我们能够建立偏振分离成像技术，同时保持我们迄今为止开发的利用原子双共振的可视化技术原本拥有的高速、高分辨率特性。这次，为了证明原理，我们将使用一个简单的微带线上可视化了 9 GHz 频段微波的每个极化。 （MSL）。它预计将具有广泛的应用，包括高频电路和天线的设计和检查、开发能够进行基础设施诊断和环境测量的微波摄像机，以及通过扩展可用频率来支持5G/6G通信技术。
这项技术的详细信息将于 2021 年 1 月 18 日在学术期刊上发表IEEE 仪器和测量汇刊
微波偏振分离成像装置示意图
通过利用偏振特性（指示微波振动的方向），可以分离信号并抑制干扰。此外，除了简单的强度之外，还可以通过添加多方面的空间信息来加深探索和分析。因此，在制造高频电路和天线、高频设备的辐射测试、雷达探测以及食品和基础设施设备的无损检测等应用中，通常需要测量每个极化的微波并可视化其空间分布。
迄今为止，还没有很多用于可视化每个偏振的微波的技术，例如将通过扫描偏振分离微型天线或光电场传感器等小型传感器获得的强度分布和位置信息组合并映射的方法，或者以线性或平面方式组合多个天线的方法。阵列天线已经尝试过。然而，存在诸如测量和扫描每个极化所需的时间等问题，并且测量时间和分辨率受到天线尺寸的限制，使得无法高速、高分辨率地进行可视化。
AIST最近基于长期积累的微波强度精密测量技术和利用原子的电磁波测量技术，致力于开发利用铯原子荧光的高速、高分辨率微波可视化技术。然而，到目前为止，只能对微波的所有偏振波进行组合和观察，而在偏振分离方面，还没有跟上扫描或排列小型天线和传感器的传统方法。因此，这一次，我们致力于开发一种利用铯原子的弱磁性来分离和可视化不同偏振的微波的技术。
这项开发得到了独立行政机构日本学术振兴会 (JSPS) 科学研究补助金“利用铯原子的微波和太赫兹波精密测量技术的研究”（2018-2022 年）的支持。
AIST 迄今为止已开发出一种利用原子共振现象可视化微波的技术。原则上，这项技术可以应用于任何吸收微波和可见光附近电磁波的原子，无论原子类型如何，但这次我们使用铯原子，它吸收9 GHz频段的微波和波长852 nm（352 THz）的近红外光。吸收近红外光的铯原子立即发出近红外区域的荧光。图 1 显示了利用荧光进行微波可视化的原理。铯原子的基态有两个能级，通过精确控制和稳定波长的近红外激光照射铯原子，可以选择性地仅对上能级的原子吸收近红外光，使这些原子在近红外区域发射荧光。图1(a)表示仅用近红外激光照射气态铯原子的情况。由于吸收近红外光的原子数量很少，因此荧光量也很少。图1(b)显示了在(a)中添加微波的情况。许多原子吸收微波并移动到上层，能够吸收近红外光并发射荧光，因此荧光的量与微波的强度成比例地增加。换句话说，微波的强度被转换成铯原子的荧光量。使用CCD相机可以拍摄波长为852 nm的近红外光的荧光，因此可以获得微波的强度分布作为近红外光的图像。从微波吸收到近红外光吸收再到荧光的过程发生在不到 1/1000 秒的时间内，使得高速测量成为可能。
这里，通过利用铯原子的弱磁性，可以仅吸收特定极化的微波。当对铯原子施加静态磁场时，原子的方向可以根据其磁场的强度进行排列。与排列的原子共振的微波的偏振和频率根据其方向而不同，因此通过精确控制微波频率，可以实现仅吸收沿与静磁场平行的方向振动的微波的偏振分离。基于这一原理，可以在一定方向上施加静磁场，并且仅可视化与静磁场平行的磁场中的微波的偏振分量。这次为了证明这个原理，3轴线圈，精确控制原子周围静磁场的方向和大小，并通过调制镜子的角度，能够在大范围内照射均匀的激光束，创造一个电磁环境，消除散射和不必要的辐射。此外，我们使用高灵敏度的近红外相机来观察微弱的荧光。
图1微波可视化原理
图2显示了新开发的微波偏振分离成像装置的示意图和MSL的照片。将气态铯原子密封在内部尺寸为 100 mm × 100 mm × 10 mm 的玻璃池中的双共振成像池放置在产生微波的 MSL 上。在本次测量中，我们使用了MSL最简单的形状，以方便理论验证，但原则上它可以应用于任何形状。铯原子的荧光由 MSL 上方的 CCD 相机成像。 MSL外部放置一个三轴线圈来控制静磁场的方向和大小，抵消剩余磁场和地磁对铯原子的影响。另外，也可以在x轴、y轴、z轴的任意方向上产生静磁场。近红外激光的光束直径约为5毫米，可以调制引导激光的镜子的角度来照射双共振成像细胞的整个表面，使得获得细胞整个表面的可视化图像成为可能。
图2 微波偏振分离成像装置示意图（左）和MSL照片（右）
图 3 显示了微波可视化图像的示例。 MSL 垂直排列在双共振成像单元的中心。无花果。图3(a)～(d)是从施加微波时的荧光强度减去未施加微波时的荧光强度而得到的微波可视化图像。 (a)、(b)和(c)是当三轴线圈分别在x、y和z轴方向施加静磁场时的图像，(d)是这些偏振分量的合成的振幅。每个都显示 x 轴、y 轴和 z 轴方向上微波磁场的偏振分量以及组合微波强度。微波可视化图像显示出复杂的明暗图案，反映了MSL开口端引起的驻波和双共振成像单元引起的介电常数的变化。此外，在微波可视化图像中，每个偏振的驻波图案的特征差异清晰可见。例如，可以看出，在 MSL 的正上方（穿过微波可视化图像的中心），仅存在 y 轴方向上的磁场的偏振分量。新开发的技术被证明具有小于微波驻波周期（MSL 上约为 11 毫米）的分辨率，这是使用传统天线的可视化技术难以实现的。
图4显示了用电磁场模拟器计算的微波分布，其中(a)是x分量，(b)是y分量，(c)是z分量，(d)是它们的组合幅度。可以看出，这次测量的可视化图像（图3）与计算结果定性匹配。到目前为止，很难进行实际测量，因此在设计和诊断微波应用时，我们只能通过模拟进行推测，但利用这项技术，我们可以实际测量这种现象。
这次，为了演示原理，我们使用了一个简单的 MSL 来定位容易与铯原子共振的 9 GHz 微波，但它也可以应用于从各种平面电路、内部波导和天线发射的微波。通过高分辨率测量微波强度和偏振分量的空间分布，我们可以为高频板和天线的设计和开发做出贡献，并解决因外部不需要的微波混合而引起的故障相关问题。它还有望应用于多种新技术，例如使用双共振成像单元作为图像传感器的“微波相机”。此外，通过适当选择原子的类型和能态、精确控制所施加的静磁场的强度和方向以及诱发荧光的激光的波长，此次开发的技术可以应用于从kHz波段到THz波段的宽频率范围内的电磁波。如果能够覆盖这些频段，则有望应用于与5G/6G一代兼容的通信技术、用于勘探、电子计算等的电子元件中的电磁波分布测量、以及室内和车内电磁波散射的测量。
图3 实际微波可视化图像
图4 基于模拟的微波偏振分量
将来，我们的目标是通过适当选择施加到原子的静磁场强度和所用铯原子的能级，将该方法应用于 9 GHz 以外的频率。我们还将通过三维激光照射来研究微波强度分布的三维可视化。