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基于rydberg原子的100 kHz~40 GHz超宽带射频传感器

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光学学报 2022年第15期42卷 214-220页

作者：杨凯安强姚佳伟毛瑞棋林沂刘燚付云起国防科技大学电子科学学院电子科学系湖南长沙410073

rydberg原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩,利用谐振区的Autler-Townes分裂效应和非谐振区的交流斯塔克(AC Stark)偏移效应,可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精密测量与通信。在室温铯原子气室中,通过改变耦合光波长,选用|70S_(12)>... 详细信息

rydberg原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩,利用谐振区的Autler-Townes分裂效应和非谐振区的交流斯塔克(AC Stark)偏移效应,可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精密测量与通信。在室温铯原子气室中,通过改变耦合光波长,选用|70S_(12)>、|42D_(52)>和|30D_(52)>三个不同的rydberg能级,分别测量了远失谐区(2 GHz)和谐振区(9.953 GHz和29.54 GHz)电磁信号的空间电场强度,并由此计算出环境散射和气室扰动所产生的衰减因子。同时,实验展示了rydberg原子在宽带频率范围内的通信应用潜力,研究了远失谐区(2 GHz)、近失谐区(9.5 GHz)和谐振区(29.54 GHz)电磁信号在不同调制频率下幅度调制和频率调制的信噪比(SNR),并在此基础上,测量了调制频率为10 kHz的幅度调制信号在100 kHz~40 GHz超宽带频率范围内的解调信号SNR。实验结果表明,rydberg原子可以突破传统电子学传感器的工作带宽限制,在超宽带连续频谱范围内具有电场感知与通信能力。

关键词：传感器 rydberg原子超宽带电场测量通信

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rydberg原子研究的新方法

光子学报 2001年第5期30卷 555-558页

作者：李隆王延帮姜谦米辛俞祖和苗润才傅盘铭陕西师范大学物理学与信息技术学院西安710062 中国科学院物理研究所光学实验室北京100080

本文首次用非简并四波混频测量了钠原子的 rydberg态系列光谱。

关键词： rydberg原子非简并四波混频钠原子光谱分析碰撞加宽激发态非线性光学

基于rydberg原子AC-Stark效应的连续频率微波测量及应用

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基于Rydberg原子AC-Stark效应的连续频率微波测量及应用

作者：李华强山西大学

学位级别：硕士

微波电场的精密测量,在通信、军事、遥感测绘、国防及宇宙学等领域扮演重要角色,伴随着量子技术的发展,基于rydberg原子的微波测量系统展现出了远超越传统微波测量系统的优越性能。该测量方案本质上区别于传统技术,基于粒子的绝对同一性... 详细信息

微波电场的精密测量,在通信、军事、遥感测绘、国防及宇宙学等领域扮演重要角色,伴随着量子技术的发展,基于rydberg原子的微波测量系统展现出了远超越传统微波测量系统的优越性能。该测量方案本质上区别于传统技术,基于粒子的绝对同一性,并且其响应性能与第一性原理预测准确相关,从而表现极高的测量精度。当原子的最外层电子被激发到主量子数很高的轨道上时,我们称之为rydberg原子,它们具有半径大、寿命长、强相互作用和大极化率的奇异特性。同时对环境中的电场扰动非常敏感,是微波电场测量极佳的传感介质,具备广泛的应用前景和巨大的研究潜力。此外,rydberg原子还在量子精密测量,量子模拟,量子纠缠以及单光子源的制备与存储等方面被广泛研究。rydberg原子的电磁诱导透明光谱(EIT)在微波耦合表现出Aulter-Townes(AT)分裂,光谱的分裂间隔正比于微波电场的强度,测量结果可溯源至国际标准单位(h),很好解决了传统微波测量技术中计量溯源性困难的问题。并且由于其量子特性,同时避免了传统微波测量系统由于金属天线以及自由电子热运动所导致的Johnson–Nyquist噪声限制,具备散粒噪声水平的测量灵敏度潜力。基于EIT-AT光谱分裂的电场测量方法,仅适用于rydberg态之间的微波共振或近共振跃迁,导致对失谐微波场的测量精度急剧降低。在单个rydberg态下,基于EIT-AT方法的电场测量系统具有单一微波频率响应和弱调谐性的局限,很难满足实际应用场景中的需求。针对这两点,本文提出了一种基于rydberg原子AC-Stark效应的连续微波频率测量方案,在原子外差测量方法的基础上,实现了连续频率微波电场的高灵敏测量与通信。本论文的主要内容和创新点如下:1.建立了用于实现微波电场连续频率测量的实验系统。测量了ULE腔的零膨胀温度,提出了基于Cs原子饱和吸收光谱频率标准的测量方法,零膨胀温度的测量值为25.7°C。利用PDH(Pound-Drever-Hall)稳频技术将探测光和耦合光的激光频率锁定到ULE腔上,对应rydberg激发光的线宽小于100 k Hz,在此基础上获得了窄线宽的EIT光谱,并研究了原子测量系统的噪声来源。2.理论研究了铯rydberg原子三能级与四能级系统的密度矩阵方程与本征分析,获得了rydberg原子的EIT-AT光谱,给出光谱分裂间隔Δ与电场强度E的投影关系;研究了非共振微波场与rydberg原子相互作用的AC-Stark效应,通过数值计算获得在强外部电场中rydberg原子简并能级的分裂现象,并给出共振条件与非共振条件下系统外差测量的响应方程。研究任意频率测量的物理机制,理论解释了基于EIT-AT方法测量系统的单频响应及弱调谐性的局限。3.首次提出利用AC-Stark效应连续微波频率测量的新方案,将rydberg原子电场测量系统的工作频点从共振条件下的单频点测量扩展到了非共振条件下的连续频率测量。在外差测量方法的基础上,获得了最小可测电场E=2.25μV/cm,对应的测量灵敏度为S=712 n V·cm·Hz,并且具备超过65 d B的线性动态响应范围。该方法在单个rydberg态下,实现了从2 GHz到5 GH的任意连续微波频率测量,无需任何激光调谐。测量系统的极化选择特性不小于为30 d B,且不受实验配置的影响。4.研究了基于rydberg原子微波测量系统的瞬时带宽,建立了原子系统稳态演化动力学过程中的时间依赖模型,研究了激发光场的配置对于原子系统达到稳态的演化速度的影响。研究了rydberg暗态原子的弛豫效应对于系统瞬时带宽的影响,通过优化原子相互作用区域加速暗态原子的渡越刷新速率从而增加系统的瞬时带宽。研究并演示了基于rydberg原子AC-Stark效应的通信原理和数字通信。利用图片作为通信验证实例,在单个rydberg态下实现了0.1 GHz到5 GHz连续频率下的弱场通信,在当前实验配置下,系统的通信带宽为230 k Hz,最大传输速率约为238 kbps。确保信道可用的前提下(BER<5%),实际通信的载波场E最小场强为13.52μV/cm。

关键词：量子精密测量 rydberg原子交流斯塔克效应原子天线

弱射频场中rydberg原子的电磁感应透明

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物理学报 2017年第9期66卷 109-114页

作者：杨智伟焦月春韩小萱赵建明贾锁堂量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学激光光谱研究所太原030006

在铯原子室温蒸气池中研究了弱射频场中rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2)、第一激发态6P_(3/2)和rydberg 48D_(5/2)态形成阶梯型三能级系统,探测光共振作用于6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃... 详细信息

在铯原子室温蒸气池中研究了弱射频场中rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2)、第一激发态6P_(3/2)和rydberg 48D_(5/2)态形成阶梯型三能级系统,探测光共振作用于6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃迁,耦合光在rydberg跃迁线6P_(3/2)(F′=5)→48D_(5/2)附近扫描,形成rydberg原子EIT.当对铯原子施加一个80 MHz的弱射频电场时,48D_(5/2)rydberg原子的EIT光谱发生Stark频移和分裂,同时产生由射频场调制rydberg能级的偶数级边带,测量结果与Floquet理论模拟的结果相符合.同时,改变弱射频电场的频率研究了铯rydberg能级的自电离效应对rydberg原子Stark谱的影响,据此,我们提出将电极板置于铯原子蒸气池内的方案以减少自电离效应的影响.在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法.

关键词： rydberg原子电磁感应透明射频Stark光谱

调制激光场中rydberg原子的电磁感应透明

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物理学报 2016年第10期65卷 61-66页

作者：杨智伟焦月春韩小萱赵建明贾锁堂山西大学激光光谱研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

本文主要研究了调制探测激光场中铯rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2),第一激发态6P_(3/2)和rydberg态形成阶梯型三能级系统,探测光作用于6S_(1/2)(F=4)→6P′_(3/2)(F=5)的跃迁,耦合光在rydberg... 详细信息

本文主要研究了调制探测激光场中铯rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2),第一激发态6P_(3/2)和rydberg态形成阶梯型三能级系统,探测光作用于6S_(1/2)(F=4)→6P′_(3/2)(F=5)的跃迁,耦合光在rydberg跃迁线6P_(3/2)→49S_(1/2)附近扫描,形成rydberg原子EIT.当对探测光频率施加一个几kHz的调制时,调制解调后的EIT信号分裂为两个峰,双峰间距与调制频率无关,而与调制幅度导致的失谐量大小(频率调制幅度)成正比,双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的λ_p/λ_c=1.67倍.实验结果与理论计算相一致.本文的研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测.

关键词：电磁感应透明调制光谱 rydberg原子

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超冷nS rydberg原子的态转移

物理学报 2013年第9期62卷 104-108页

作者：王勇张好陈杰王丽梅张临杰李昌勇赵建明贾锁堂量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学激光光谱实验室太原030006

本文从实验上研究了超冷 nS rydberg 原子在外电场脉冲作用下的态转移现象. 采用双光子激发超冷基态原子制备超冷rydberg原子,通过脉冲场电离法探测超冷rydberg原子的离子信号,实验研究了由外加脉冲电场产生的nS 能级和多重态的避免交... 详细信息

本文从实验上研究了超冷 nS rydberg 原子在外电场脉冲作用下的态转移现象. 采用双光子激发超冷基态原子制备超冷rydberg原子,通过脉冲场电离法探测超冷rydberg原子的离子信号,实验研究了由外加脉冲电场产生的nS 能级和多重态的避免交叉, 获得了在外电场脉冲作用下 nS 态原子的态转移现象, 实验与理论计算的结果相一致.

关键词： rydberg原子态转移能级避免交叉

铯rydberg原子Stark态的避免交叉

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物理学报 2013年第1期62卷 146-150页

作者：王丽梅张好李昌勇赵建明贾锁堂量子光学与光量子器件国家重点实验室山西大学激光光谱实验室太原030006

在磁光阱中利用双光子激发制备49S铯rydberg原子,研究了超冷49S态原子在外加电场中的Stark效应和nS态原子与(n-4)多重态之间的避免交叉现象.利用态选择脉冲场电离方法测量并获得了避免交叉点附近的离子谱,测量了避免交叉点附近离子谱的... 详细信息

在磁光阱中利用双光子激发制备49S铯rydberg原子,研究了超冷49S态原子在外加电场中的Stark效应和nS态原子与(n-4)多重态之间的避免交叉现象.利用态选择脉冲场电离方法测量并获得了避免交叉点附近的离子谱,测量了避免交叉点附近离子谱的变化情况,并观察到避免交叉点附近由相互作用导致的态转移现象.

关键词： rydberg原子避免交叉 Stark效应

Cs 39D态rydberg原子Stark光谱的实验研究

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物理学报 2010年第4期59卷 2401-2405页

作者：朱兴波张好冯志刚张临杰李昌勇赵建明贾锁堂山西大学物理电子工程学院量子光学与光量子器件国家重点实验室太原030006

本文从理论和实验上对Cs39D态rydberg原子在弱电场作用下的Stark效应做了详细研究.理论上利用数值方法计算了Cs原子39D态的Stark结构;实验上,采用两步激发超冷基态原子获得超冷rydberg原子,通过场电离的方法获得了39D态的Stark光谱,测... 详细信息

本文从理论和实验上对Cs39D态rydberg原子在弱电场作用下的Stark效应做了详细研究.理论上利用数值方法计算了Cs原子39D态的Stark结构;实验上,采用两步激发超冷基态原子获得超冷rydberg原子,通过场电离的方法获得了39D态的Stark光谱,测量获得α52/2,α50/2,α32/2和α30/2相应的极化率分别为:62(7),-146(13),73(6)和-106(20)MHz·V-2cm2,实验结果与理论相符合.

关键词： rydberg原子 Stark结构场电离极化率

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基于rydberg原子的P波段外差接收机

基于Rydberg原子的P波段外差接收机