基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量_杜艺杰.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:2022-04-29基金项目:国家自然科学基金(编号:61875111)基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量杜艺杰1，丛楠1，何军2，3，杨仁福1(1.北京量子信息科学研究院，北京 100193;2.山西大学光电研究所量子光学与光量子器件国家重点实验室，太原 030006;3.山西大学省部共建极端光学协同创新中心，太原 030006)摘 要:利用室温铯原子里德堡态构建原子天线，研究原子天线对 30MHz 40GHz 频率范围电磁波信号的响应特性。实验中，通过 852nm 和 509nm 的双光子激发方案实现里德堡原子的量子态制备，通过阶梯型电磁感应透明光谱实现电磁波信号测量。实验研究了 66S1/2、66D5/2、76D3/2里德堡态的宽频电磁波响应特性，研究发现近共振条件下，原子与电磁场通过电偶极共振跃迁耦合，光谱信号较强，系统的测量灵敏度为 110dBm/Hz 2dBm/Hz，线性动态范围为40dB;失谐条件下，原子与电磁场的相互作用主要是 AC Stark 频移，光谱信号较弱。对于铯原子，66S1/2与 66D5/2里德堡态在 30GHz 附近存在测量不敏感区;76D3/2量子态在 30MHz 40GHz范围的偶极共振跃迁分布均匀，实验没有测量到明显的不敏感区。关键词:里德堡原子;连续频率测量;电磁感应透明;Stark 位移中图分类号:O562.4文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)06-02127doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.017Broadband Electric-field Measurement Based on oomTemperature ydberg Atomic AntennaDU Yi-jie1，CONG Nan1，HE Jun2，3，YANG en-fu1(1.Beijing Academy of Quantum Information Sciences，Beijing 100193;2.State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices，Institute ofLaser Spectroscopy，Shanxi University，Taiyuan 030006;3.Collaborative Innovation Center of Extreme Optics，Shanxi University，Taiyuan 030006)Abstract:The atomic antenna is constructed using the room temperature Cesium ydberg atom.The response char-acteristics of the atomic antenna to radio frequency(F)signals in 30MHz 40GHz are explored.In the experiment，theydberg atom is prepared by 852nm and 509nm two-photon excitation scheme.The electromagnetic induced transparent(EIT)spectroscopy is employed to sense the F wave.The broadband F wave response characteristics of 66S1/2，66D5/2and 76D3/2ydberg states are investigated.It is found that the measurement signal in the region of near dipole resonant Ffield is strong，but weak in the far from resonant region，where the measurement is mainly realized by AC Stark shift.Thesystem achieves a sensitivity up to 110dBm/Hz 2dBm/Hz，and the linear dynamic is 40dB.Among them，66S1/2and第 5/6 期杜艺杰等:基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量66D5/2ydberg states have a detection insensitive area at 30GHz.The dipole resonance transition of 76D3/2quantum stateis evenly distributed in the range of 30MHz 40GHz，and no obvious insensitive area in the experiment.Key words:ydberg atom;continuous frequency measurement;electromagnetic induced transparent(EIT);Stark shift0引言处于高激发态的里德堡原子可以用来感知电场，近年来受到广泛关注。这种基于量子效应的电场传感器同样可以实现天线功能，因此又被称为原子天线1-7。传统偶极天线在微波电场的作用下其内部电子集体运动产生宏观的感应电流，通过对感应电流的测量实现对微波电场强度、相位、角度等信息的提取8 9。由于偶极天线的工作原理，测量灵敏度受限于导体中电子运动产生的Johnson-Nyquist 噪声(热噪声)。里德堡原子是指一个或多个电子处于主量子数 n 很高的激发态，处于该量子态的原子电偶极矩与主量子数的平方成正比10，对电磁场的电场分量十分敏感，因此可以用来实现电场测量。里德堡原子本身没有自由运动电子，电场测量极限灵敏度不受限于热噪声，高精度光谱允许达到量子散粒噪声极限水平。更进一步的里德堡原子光谱测量，其测量极限灵敏度受限于激光的散粒噪声和传感原子的投影噪声。利用里德堡原子的量子干涉光谱以及低于量子散粒噪声极限的低噪声光场测量方案，可以突破传统偶极天线的噪声限制和经典光场测量的量子散粒噪声限制，获得低于量子散粒噪声极限的电场测量11。此外，传统天线存在尺寸效应，天线的转换效率与电磁波的共振条件密切相关12。里德堡原子具有丰富的能级资源，理论上基于单一原子天线即可实现 DC THz(太赫兹)频率范围的电磁波测量;而且，原子天线的电场测量可以通过里德堡能级溯源至基本物理常数，同时兼具高带宽和高精度的优势13。近年来，基于里德堡原子开展的电磁场测量和原子天线应用取得了较多突破。利用量子相干效应将微波场强转化为原子跃迁光谱频率的测量，具有极高的测量灵敏度和可靠性。2012 年，美国俄克拉荷马大学的 Shaffer 研究组利用里德堡原子电磁感应透明(Electromagnetic Induced Transparent，EIT)和 Autler-Townes(AT)分裂光谱技术获得了30V/(cmHz1/2)的电场测量极限灵敏度，获得了8V/cm 的最小电场强度1，该灵敏度比传统的可溯源至国际标准单位制的微波电场计高了将近 2 个数量级。2016 年，美国密歇根大学的 aithel 研究组与美国 NIST 研究人员合作，利用里德堡 EIT 光谱实现了强射频电场的测量，证实了里德堡原子电场计具有较大的动态响应范围14。2020 年，为了消除热原子系综中原子的退相干以及多普勒效应导致的谱线展宽，华南师范大学的廖开宇、颜辉与南京大学的朱诗亮研究团队利用冷里德堡原子 的 电 磁 感 应 吸 收(Electromagnetic InducedAbsorption，EIA)效应开展了微波电场测量，最小可测量场强约为 100V/cm15。2020 年，山西大学的张临杰、肖连团和贾锁堂研究团队基于原子超外差方法测量了微波电场，实验上获得了55nV/(cmHz1/2)的极限灵敏度，最小可探测微波场强约为 780pV/cm16。里德堡原子实现连续可调频率的电磁波测量是原子天线实用化的必由之路，连续宽频率范围的电场测量一直备受关注。由于里德堡能级分立的原因，上述电场强度的测量多集中于对应频点近共振的微波频率测量，微波跃迁的拉比频率与EIT 光谱产生的 AT 分裂频率间距成正比，通过测量 AT 分裂产生的频率间距获得电场强度信息。当微波频率偏离里德堡原子的共振跃迁频率时，微波与原子能级的耦合作用减弱，无法通过 AT 分裂实现测量。在非共振区域，通过原子能级的 ACStark 效应可以实现较强电场的测量。2021 年，美国陆军实验室的研究人员利用里德堡原子气室外加平面波导增强的方式，实现了微波频率 DC 20GHz 的连续测量17。本文测量了室温铯里德堡原子对 30MHz 40GHz 连续频率电磁波信号的响应特性，研究了 66S1/2、66D5/2、76D3/2里德堡态的宽频电磁波响应特性。结果显示，66S1/2与 66D5/2里德堡态在 30GHz 附近存在测量不敏感区;76D3/2量子态在 30MHz 40GHz 范围的偶极共振跃迁分布均匀，测量不敏感区不明显。391导航与控制2022 年第 5/6 期1实验装置图 1 为测量系统的示意图。852nm 的探测光由半导 体 激 光 器(Toptica DLpro)产 生，线 宽 为700kHz;509nm 的耦合光由光纤激光器产生，典型线宽为 20kHz。探测光与耦合光通过反向共线传输的方式进入圆柱形石英铯(Cs)原子气室中，气室的长度为 50mm，柱体直径为 30mm，气室壁厚为1mm。探测光与耦合光的功率分别为 10W 和80mW，利用三能级的阶梯型光抽运将原子从基态制备至里德堡态。实验所用的里德堡能级如图2(a)所示，探测光通过饱和吸收光谱锁定在 Cs 原子6S1/2(F=4)6P3/2(F=5)的 D2 共振跃迁线上，耦合光通过参考 EIT 信号锁定。射频(微波)由射频信号源(ohde Schwarz，SMA100B)产生，并通过喇叭天线(成都汇英联，DS3100，LB-28、LB-42、LB-90、LB-137)发出，不同的射频频段需选用不同的喇叭天线。探测光与耦合光均为线偏振光，微波的极化方向与探测光和耦合光线偏振的方向相同。探测光通过光电探测器(New Focus 2107)探测，经过 光 电 转 换 后，输 入 示 波 器(Keysight，DSOX3024T)与频谱仪(Keysight，9030B)进行信号显示和分析。图 1实验装置示意图Fig.1Schematic diagram of experiment setups图 2实验所用能级图及 AT 与 Stark 效应Fig.2Energy level diagram used in experiment and AT，AC Stark effect2实验结果与讨论为了实现连续频率范围的非共振微波测量，故在测量中引入了本振微波场，使用超外差技术来提高测量的灵敏度。关于微波与里德堡能级的共振耦合和非共振耦合的数学表达式在相关的文献里已有详细推导11，17，这里仅作简要说明。考虑信号微波场的表达式为 EScos(+)t，491第 5/6 期杜艺杰等:基于室温里德堡原子天线的宽频带电场测量本振场的表达式为 ELcos(t L)，为微波载波频率，为信号场与本振场的差值，L为本振场相对信号场的相位差。当本振场存在时，总电场的平方为E2tot=E2Scos2(+)t+E2Lcos2(t L)+2ESELcos(+)t cos(t L)=E2Scos2(+)t+E2L