微波电场的精密测量在通信、遥感测绘、宇宙学等领域具有重要的应用。传统微波电场测量系统基于金属天线以及微波电路,其构成体制导致了其测量灵敏度受限于Johnson–Nyquist噪声,测量精度受到天线尺寸效应以及金属天线对待测场扰动的影响,难以做到精密测量。随着现代科技的迅速发展,许多应用领域都对微波测量的灵敏度和精确度提出了更高的要求,传统的微波测量方法越来越难以满足现有的需求。随着量子技术的发展,尤其是原子钟和原子磁力计等量子传感器获得了巨大的成功,体现出了其超越经典测量的优越性能后,国际上开始发展基于量子体系的微波电场传感器。目前基于量子体系的微波电场传感器代表性工作为里德堡原子电场计,其很好地解决了传统微波测量系统存在的计量溯源性问题,同时其理论极限灵敏度仅受限于量子投影噪声,远优于传统的微波测量系统。然而,原子电场计在进行微弱微波测量时,其读出信号与输入微波电场强度的平方成正比,具有方差测量的性质。方差测量导致当测量系统的经典技术噪声幅值每降低一个量级时,其电场强度灵敏度仅提高√10倍,这使得原子电场计难以克服经典技术噪声达到量子投影噪声极限,无法满足实际应用需求。同时,原子电场计无法获得待测微波电场的频率和相位信息,极大的限制了其在通信、遥感测绘等重要领域的应用。本论文提出了一种全新的基于量子体系的微波测量方法,实现了微波电场频率、相位分辨的超宽带超灵敏精确测量。本论文的创新点如下:1.本论文提出了一种全新的基于量子体系的微波测量方法,即基于里德堡原子的微波超外差精密测量（原子超外差测量）方法,实现了频率、相位分辨的微波超宽带、超灵敏精确测量。与通常的原子电场计相比,我们创新地引入了一个可控的本振微波场。本振微波场具有两个重要的作用:·本振微波场为待测信号微波场的外差测量提供了频率和相位的参考。当本振微波场和信号微波场同时近共振作用于同一里德堡原子的相同里德堡跃迁时,两者发生干涉,其干涉模式通过里德堡EIT效应从高激发里德堡跃迁相干传递到了探测光中,从而可以通过全光学的手段进行读取,实现对信号微波场的外差测量;·可控的本振微波场为量子测量系统提供了新的调节维度。通过调节本振微波场强度可以操控量子测量系统的有效相干时间和参与测量的粒子数,使其运行在具有最大内禀增益的线性工作点,从而充分发挥量子体系超灵敏测量的优势。2.为了准确描述原子超外差测量方法的原理,本论文建立了完整的原子超外差测量理论模型。理论模型包含基于数值解的精确模型,以用于对实验测量结果进行仿真和拟合;同时包含基于解析解的近似模型,以清晰地阐明原子超外差测量方法的工作机制。理论模型给出了原子超外差测量方法的测量方程,测量方程表明:原子超外差测量方法对微波电场具有线性响应的特性,意味着每当经典的技术噪声幅值降低一个量级,其电场强度测量灵敏度将提高10倍;当本振微波场强度调节至最佳工作点时,原子超外差测量方法将具有量子系统所允许的最大内禀增益;原子超外差测量方法的测量结果包含了信号微波场的频率及相位信息。3.本论文研制了用于原子超外差测量的里德堡激光系统。为了实现微波电场超灵敏精确测量,本论文提出并实现了3.5 MHz超大反馈带宽的频率噪声伺服环路,以抑制激光器的频率噪声。基于该频率伺服环路,我们实现了仅受限于腔体材料热噪声,具有10 Hz量级线宽、日均中心频率漂移小于100 kHz的低噪声超稳激光系统。为了同时实现微波电场的超宽带测量,我们将光纤相位调制器的调制边带作为频率伺服环路的锁定目标,实现了激光主频具有1.5 GHz连续无跳模扫描范围、可实现铯原子主量子数大于30的任意里德堡态激发的低噪声超稳里德堡激光系统。4.本论文搭建了原子超外差测量系统,完成了基于原子超外差测量方法的微波电场精密测量实验研究,很好地验证了理论模型给出的预计结果。研究表明,得益于激光系统的低噪声特性,目前本论文实现的原子超外差测量系统具有5.5V?m-1?Hz-1/2的灵敏度,优于国际上可溯源原子电场计的最佳结果（[Nature Physics 8,819（2012）]）约三个数量级;其最小可测量的电场强度可以达到78 nV?m-1,优于可溯源原子电场计四个数量级以上。其线性动态范围可到90 dB,优于原子电场计约60 dB。相对于原子电场计,原子超外差测量系统可以实现对待测微波电场频率和相位的测量,其对待测微波电场的频率分辨率可以达到mHz量级。基于低噪声的超稳激光系统以及原子超外差测量方法具有可溯源至国际标准单位制的测量特性,我们获得的微波电场测量不确定度小于5%。得益于里德堡激光系统的大连续无跳模扫描范围以及可实现任意里德堡态激发的优势,本论文实现的原子超外差测量系统具有大于30 GHz的微波测量带宽,远优于传统的微波测量系统。