基于里德堡原子的电场精密测量_仝艳杰.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-07-29基金项目:国家自然科学基金(编号:61827824，61975104，12104279);中国-白俄罗斯电磁环境效应“一带一路”联合实验室基金(编号:ZBKF2022030201);电子信息控制重点实验室开放基金(编号:JS20220200032);山西省重点研发计划项目(编号:202102150101001)基于里德堡原子的电场精密测量仝艳杰1，2，闫红梅1，2，景明勇1，2，张好1，2，张临杰1，2(1.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;2.极端光学协同创新中心，太原 030006)摘 要:随着国防、天文及计量等领域的发展，基于金属天线和电子前端的传统微波电场测量装置的性能逐渐无法满足相关需求。基于里德堡原子量子相干效应的微波电场测量技术因其具有可溯源性良好、超宽带响应、高灵敏度、抗干扰能力强等优势，近年来得到了广泛关注。首先介绍了基于里德堡原子微波电场测量技术的基本原理，在噪声来源、灵敏度及频率选择性等方面比较了里德堡原子电场计与电偶极天线的性能，接着概述了基于缀饰里德堡原子的超外差接收机、基于超冷原子体系多波混频实现的微波-光子高效率转换以及基于微波频率梳实现原子天线瞬时带宽展宽等突破性研究进展，最后讨论了光外差测量技术在里德堡原子微波电场测量中的潜在应用。关键词:里德堡原子;电磁诱导透明效应;原子电场计;超外差接收机;光外差探测中图分类号:O436文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)01-02150doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.014Precision Measurement of Electric FieldsBased on ydberg AtomsTONG Yan-jie1，2，YAN Hong-mei1，2，JING Ming-yong1，2，ZHANG Hao1，2，ZHANG Lin-jie1，2(1.State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices，Institute ofLaser Spectroscopy，Shanxi University，Taiyuan 030006;2.Collaborative Innovation Center of Extreme Optics，Taiyuan 030006)Abstract:With much higher demands in the fields of national defense，astronomy and metrology，the performance oftraditional microwave antenna with metal conductor and the electronic front end need to be updated Microwave electricfields measurement technology based on quantum coherence effect of ydberg atoms has attracted extensive attention in re-cent years due to itsadvantages such as good traceability，ultra-wide-bandwidth response，high sensitivity and high anti-jamming capability The basic principle of microwave electric field measurement based on ydberg atom is introduced，and the performance of ydberg atom electric field meter and electric dipole antenna is compared in terms of noise source，sensitivity and frequency selectivity in this paper Moreover，some important processes are summarized including the super-heterodyne receiver based on dressed ydberg atoms，high-efficiency conversion of microwave to photons based on six-wave第 5/6 期仝艳杰等:基于里德堡原子的电场精密测量mixing in ultracold atoms and the extension of instantaneous bandwidth using microwave comb Finally，the optical hetero-dyne measurement technology in microwave electric field measurement of ydberg atom is discussedKey words:ydberg atom;electromagnetically induced transparency(EIT);atomic electric field meter;superhete-rodyne receiver;optical heterodyne detection0引言传统电磁波电场测量系统的核心是金属天线以及电子电路的传统接收器，经历百余年的发展，金属天线作为常用电磁场辐射和接收设备被广泛应用到通信、雷达、遥感等领域。传统接收器的灵敏度受限于 Johnson-Nyquist 噪声(也称热噪声)，微波测量精度受到天线尺寸效应以及金属天线感应电场的扰动，难以做到精密测量，而基于量子技术的量子精密测量系统从原理上可以克服传统传感器的诸多物理限制。近年来，量子精密测量系统已经在原子钟、光钟1和磁场测量2领域获得了巨大的成功。随着量子技术的快速发展，基于里德堡原子的原子传感技术逐渐成为了新的研究热门3。近年来，关于里德堡原子电场测量技术的介绍、里德堡原子天线的通信应用、微波电场场强测量灵敏度研究进展等综述已有所报道4-7，本文着重近三年内最新的里德堡原子天线新技术及在灵敏度、瞬时带宽等重要指标上的进展。1原子电场计的基本原理电磁辐射通常是指电场和磁场交互变化的电磁波，电磁波含有电场分量和磁场分量，由于一般材料对电场分量的响应更加敏感，因此常用的电磁辐射测量手段是电场测量。本文中基于里德堡原子的电磁波测量系统也着眼于微波电场分裂的测量，故简称为原子电场计。早在 20 世纪 90 年代，Osterwalder 等8就提出了利用高主量子数 n(通常 10n100)的里德堡原子作为电场传感器的想法。高主量子数 n 的里德堡原子是指处于高激发态的原子，通常具有较大的电偶极矩和量子态相干寿命。因此，高能里德堡原子更容易受到微弱电场的扰动。实验上可通过电磁 诱 导 透 明 效 应(Electromagnetically InducedTransparency，EIT)的光谱测量出与里德堡原子在电场作用下导致的频移，从而完成电磁辐射的电场精密测量。在原子电场计中，高能里德堡原子充当对电场高度敏感的偶极子。来自待测电磁辐射波的电场分量会影响里德堡原子的量子态，里德堡量子态的变化被调制到探测激光的振幅、相位中。携带调制信号的激光被光电探测器检测，被测微波电场的信息可由光谱反演得到。基态原子激发到里德堡态的结构示意图如图1(a)所示，里德堡原子的价电子远离原子实，可看作对电磁辐射高度敏感的偶极子。图1(a)中，两束激光在充满原子蒸汽的玻璃气室中相向传播。其中，探测激光 p用于将原子由基态激发至低激发态，而控制激光 c将原子从低激发态跃迁至高能里德堡态。除了这种典型的双光子激发方案，还有一种三光子激发的方案同样可用于将原子激发至里德堡态9。图 1(b)中，当单个原子处于里德堡态 3 时，原子会对与3 到近里德堡态 4 跃迁共振的电磁辐射 F高度敏感。当然，如果待测电磁辐射与里德堡态到近里德堡态的跃迁频率相距甚远，则该电磁辐射场仍会引起能级 3 的变化。图 1里德堡原子的电场计原理示意图和原子能级结构图Fig.1Schematic diagram of electric field meter principleand atomic energy level structure for ydberg atom若只有探测光束通过原子气室且被调谐至与原子的跃迁频率共振时，原子团会对激光光束产生强烈的吸收。图2(a)展示了理想情况下探测光束穿过原子气室的透射光强度。当控制光打开且将361导航与控制2022 年第 5/6 期一小部分原子激发至里德堡态时，可以观察到 EIT现象，如图 2(b)所示。在探测光束的吸收背景中出现一个高的窄带透射峰，透射峰线宽 fEIT约为1MHz 10MHz。随着待测电磁波的作用，里德堡态到近里德堡态的跃迁共振(或者近共振)导致光谱出现 Autler-Townes(AT)分裂，如图 2(c)所示。图 2每个光场对探测光束透射光谱的影响Fig.2Effect of each light field on the transmissionspectrum of the probe beam在探测光束的光谱中观察到的 AT 分裂线宽fp与入射电磁辐射场的强度和原子的跃迁偶极矩有关，其表达式为fp=cpF2扫描 pF2扫描 c(1)式(1)中，控制和探测光束波长之间的比率c/p解释了两个场之间的失配。F为入射电磁辐射场的拉比频率，由下式给出F=FEFh(2)式(2)中，F为与微波频率共振的跃迁偶极距，EF为原子处入射电磁辐射场的幅度，h为普朗克常数 h 除以 2。通过式(1)、式(2)以及通过光谱手段测得的 AT 分裂 fp，就可以推算出待测电磁辐射场的幅度。当输入的电磁辐射场与里德堡原子的跃迁处于共振状态或近共振状态时，可实现电场与里德堡原子的相干共振耦合。里德堡原子邻近能级的跃迁 频 率 可 覆 盖 从 特 高 频(UHF，300MHz 3000MHz)到至高频(THF，300GHz 3000GHz)频带之间的数千万计频点，此外里德堡原子电场计还可以测量从里德堡态|3到近里德堡态|4的非共振入射电场，基本原理是通过测量与原子能态相关的由交流斯塔克效应(AC-Stark Effect)导致的频移来完成10。非共振交流斯塔克频移测量机制不同于共振 AT 分裂机制，且其灵敏度比利用AT 分裂机制得到的灵敏度低。用于非共振入射电磁场的检测技术包括外差检测方案11-13和测量 AC斯塔克频移的自校准仪器14-15。2原子微波电场计与传统微波接收器的比较传统的电磁接收器由金属天线和电子电路组成，如图 3 所示。金属天线响应自由空间中电磁辐射的电磁场，由于电磁偶极相互作用，天线中的自由电子转化为可观测的宏观电流。电流进入电子设备中，经过放大、过滤和整流，成为可供使用的数字模拟信号。原子电场计原则上不需要对入射电磁场进行任何吸收16，被测微波电场与里德堡量子态的相互作用导致了里德堡原子能级的变化，在量子态光读出机制下可以通过光谱信号461第 5/6 期仝艳杰等:基于里德堡原子的电场精密测量反演出被测微波电场的振幅、频率、相位等参数。本节重点比较了传统接收器和里德堡原子电场计在噪声来源、电场灵敏度、频率选择性、信道容量和动态范围等方面的不同。图 3传统微波接收器Fig.3Diagram of traditional