里德堡原子微波電場(chǎng)測(cè)量

白金海，胡棟，貢昊，王宇

(航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

原子是一種典型的量子體系,具有可復(fù)現(xiàn)、性能穩(wěn)定、能級(jí)精確等優(yōu)點(diǎn)?；谠芋w系的量子精密測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前的前沿技術(shù)研究[1-2],可以用于時(shí)間頻率、磁場(chǎng)、加速度、電場(chǎng)等多個(gè)物理量的測(cè)量。原子鐘(光鐘)的測(cè)量精度已經(jīng)達(dá)到10-18量級(jí)[3-4],原子磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度已經(jīng)達(dá)到160 aT/Hz-1/2水平[5],原子干涉重力儀的靈敏度已經(jīng)達(dá)到μGal量級(jí)[6],里德堡原子電場(chǎng)計(jì)的靈敏度已經(jīng)達(dá)到30μV·cm-1·Hz-1/2水平,分辨力可達(dá)8μV/cm[7],甚至已經(jīng)突破了標(biāo)準(zhǔn)量子極限[8]?；谠拥碾妶?chǎng)精確測(cè)量不僅可以作為新一代微波電場(chǎng)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),還可以應(yīng)用在固體材料的微波光學(xué)性質(zhì)研究、電場(chǎng)強(qiáng)度控制[9]、高分辨天氣雷達(dá)以及生物醫(yī)學(xué)成像等,有著廣泛的應(yīng)用前景。

在微波電場(chǎng)測(cè)量和校準(zhǔn)方面,自Hertz在1880年首次證實(shí)電磁場(chǎng)存在后,微波電場(chǎng)測(cè)量和校準(zhǔn)的基本方法變化很小[10],一直用標(biāo)準(zhǔn)天線和標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)方法作為射頻微波電場(chǎng)的可溯源標(biāo)準(zhǔn)[11],基于電磁場(chǎng)天線轉(zhuǎn)換的光學(xué)測(cè)量方法的電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量分辨力為30μV/cm,靈敏度為1 mV·cm-1·Hz-1/2水平[12]。但此方法有很多不足之處,主要有[13]:①傳感器需要校準(zhǔn),為了校準(zhǔn)傳感器,需要將其放置在微波電場(chǎng)中,而此電場(chǎng)大小又需要一個(gè)已校準(zhǔn)傳感器來(lái)測(cè)量,這導(dǎo)致偶極天線傳感器校準(zhǔn)困難,使電場(chǎng)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)難于復(fù)現(xiàn);②傳感器使用天線感應(yīng)電壓換算電場(chǎng)分布,但很多結(jié)構(gòu)的天線無(wú)法得出電場(chǎng)分布解析解,尤其是在近場(chǎng)情形[14];③受限于偶極共振效應(yīng),傳感器的幅頻特性與其長(zhǎng)度有關(guān),也就是說(shuō)不同頻率的微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量需要使用不同尺寸的傳感器;④傳感器探頭使用金屬材料制作,會(huì)對(duì)電場(chǎng)本身造成干擾,影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性;⑤分辨力靈敏度低,測(cè)量不確定度大。

與傳統(tǒng)電場(chǎng)測(cè)量方法對(duì)比,近些年發(fā)展起來(lái)的基于量子相消干涉原理的里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量,使用激光將原子激發(fā)到里德堡態(tài),微波電場(chǎng)強(qiáng)度正比于電磁感應(yīng)透明峰分裂雙峰的間距或者透明窗口的吸收率,即將電場(chǎng)強(qiáng)度與原子參數(shù)和光譜學(xué)特征參數(shù)聯(lián)系起來(lái),是一種量子測(cè)量方法,具有自校準(zhǔn)、易復(fù)現(xiàn)等特性,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高于傳統(tǒng)偶極天線標(biāo)準(zhǔn)的靈敏度和分辨力,且具有進(jìn)一步提升的潛力,是下一代微波電場(chǎng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。

本文針對(duì)熱蒸氣室中的里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行了綜述,介紹了里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量的原理和當(dāng)前實(shí)驗(yàn)進(jìn)展,討論了未來(lái)可能的發(fā)展方向。

1 基本原理

里德堡原子是處于高激發(fā)態(tài)的原子,其主量子數(shù)n較高,具有極化率大(正比于n7),相互作用強(qiáng)(正比于n4),壽命長(zhǎng)(正比于n3)等特性[16],在量子圖像中,里德堡原子的運(yùn)動(dòng)態(tài)被強(qiáng)電偶極躍遷耦合并產(chǎn)生大的Stark頻移效應(yīng),可以用激光激發(fā)和光譜學(xué)技術(shù)制備并讀取此原子態(tài),使里德堡原子成為一種測(cè)量電場(chǎng)的極佳工具。

典型的里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量裝置采用的能級(jí)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[7],以此為例說(shuō)明里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量的基本原理。在87Rb原子四能級(jí)系統(tǒng)中,探測(cè)光頻率在基態(tài)5S1/2至激發(fā)態(tài)5P3/2間的共振躍遷頻率鎖定或掃描(圖1(b)中的紅線),其功率大小由光電探測(cè)器測(cè)量;耦合光頻率固定于激發(fā)態(tài)5P3/2至53D5/2間的共振躍遷峰;原子氣室加熱到一定溫度,探測(cè)光與耦合光在熱原子氣室中相向傳播,以減小原子速度分布的影響,二者的偏振方向自由可調(diào),以滿足不同的實(shí)驗(yàn)情形,且為了減小微波空間振幅變化的影響,通常使耦合光(或者探測(cè)光)的光斑尺寸在0.1 mm量級(jí);微波電場(chǎng)在里德堡能級(jí)53D5/2和54P3/2的共振頻率鎖定或掃描,由微波喇叭產(chǎn)生并與氣室內(nèi)原子相互作用,喇叭和微波偏振的方向均垂直于激光傳播方向。

當(dāng)無(wú)微波電場(chǎng)時(shí),四能級(jí)系統(tǒng)退化為三能級(jí)系統(tǒng),產(chǎn)生典型的階梯型電磁感應(yīng)透明效應(yīng)[17-18]。當(dāng)僅有探測(cè)光存在時(shí),因二能級(jí)原子的受激吸收效應(yīng),使探測(cè)光穿過(guò)原子氣室的透過(guò)率幾乎為零,而當(dāng)加上耦合光時(shí),因耦合光與探測(cè)光的量子干涉效應(yīng),使基態(tài)原子處于‘暗態(tài)’,破壞了探測(cè)光的吸收通道,導(dǎo)致探測(cè)光幾乎無(wú)損耗(或者損耗極大降低)的透過(guò)原子氣室,如圖1(a)插圖部分所示,此即為電磁感應(yīng)透明效應(yīng)(Electromagnetically induced transparency,EIT)。

圖1 使用電磁感應(yīng)透明效應(yīng)測(cè)量微波電場(chǎng)的能級(jí)圖和實(shí)驗(yàn)裝置[7]

當(dāng)微波電場(chǎng)作用時(shí),可以用密度矩陣?yán)碚摰玫教綔y(cè)光場(chǎng)的密度矩陣元,進(jìn)而得到其吸收率[19]。在均勻增寬系統(tǒng)中,探測(cè)光吸收率為

式中:L1=γ21-iΔ1;L12=γ31-i(Δ1+Δ2);L123=γ41-i(Δ1+Δ2+Δ3),Δ1,Δ2,Δ3分別為探測(cè)光、耦合光和微波電場(chǎng)頻率與對(duì)應(yīng)原子能級(jí)躍遷頻率的失諧;Ωp,Ωc,Ωrf分別為探測(cè)光、耦合光和微波電場(chǎng)的拉比頻率。退相干速率γij=(Γi+Γj)/2(不考慮碰撞馳豫),Γi為對(duì)應(yīng)能級(jí)的馳豫速率。

當(dāng)Ωrf=0時(shí),式(1)的結(jié)果等效于三能級(jí)EIT情形。均勻增寬介質(zhì)中的四能級(jí)探測(cè)光吸收曲線的計(jì)算結(jié)果如圖2所示,當(dāng)無(wú)微波電場(chǎng)作用時(shí),相當(dāng)于三能級(jí)EIT情形,如圖2(a)所示,因耦合光場(chǎng)拉比頻率較大,EIT過(guò)渡到Autler-Townes(AT)分裂,在探測(cè)光零失諧兩端間距Ωc處出現(xiàn)兩個(gè)透過(guò)率峰。當(dāng)有微波電場(chǎng)作用時(shí),因微波電場(chǎng)與三能級(jí)系統(tǒng)的相互作用,在探測(cè)光共振處(零失諧)的透過(guò)率急劇增加,如圖2(b)所示,透明窗口的線寬大小為1.5 MHz,處于亞自然線寬寬度。

圖2 均勻增寬介質(zhì)的探測(cè)光吸收曲線[19]

圖2 中,(a)參數(shù):Δ2=Δ3=0,γ21=3 MHz,γ31=γ41=3 MHz,γ32=γ42=3.5 MHz,Ωp=10 MHz,Ωc=100 MHz,Ωrf=0 MHz。(b)參數(shù)等同(a),除Ωrf=10 MHz。

熱原子氣室中的原子需要考慮多普勒展寬效應(yīng),其原子速度分布符合麥克斯韋-玻爾茲曼分布屬于非均勻增寬系統(tǒng)其中,N0為原子數(shù)密度為原子方均根速率。則探測(cè)光吸收率關(guān)系式變?yōu)?/p>

在熱原子氣室中,當(dāng)微波電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí),使出現(xiàn)在探測(cè)光共振處的透明窗口發(fā)生AT分裂,成為分布在共振頻率兩端對(duì)稱的透明窗口,如圖3所示。圖中從上到下的微波電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí),為三能級(jí)EIT情形,當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí),出現(xiàn)逐漸明顯的AT分裂雙峰。雙峰分裂間距Δf與微波電場(chǎng)拉比頻率ΩMW成正比,滿足關(guān)系式

圖3 熱原子氣室中的探測(cè)光吸收曲線[14]

而拉比頻率滿足關(guān)系式

即微波電場(chǎng)強(qiáng)度和光譜分裂雙峰的間距成正比,或者說(shuō)可以用雙峰分裂間距測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度,式(3)、(4)中的比例系數(shù)與激光波長(zhǎng),普朗克常數(shù)以及偶極矩陣元相關(guān),激光波長(zhǎng)測(cè)量的不確定度在10-8量級(jí)(波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量),偶極矩陣元不確定度在10-8量級(jí)[20],不會(huì)影響微波電場(chǎng)測(cè)量的精度。受微波拉比輸出微波強(qiáng)度穩(wěn)定性、探測(cè)耦合光強(qiáng)度頻率穩(wěn)定性等因素的影響,基于AT分裂峰方法測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度的不確定度約為0.5%[7]。

在多普勒展寬系統(tǒng)中,為激發(fā)原子到里德堡能級(jí),系統(tǒng)選用階梯型三能級(jí)系統(tǒng),受限于較大的原子馳豫速率,電場(chǎng)感應(yīng)透明窗口的線寬一般較大,如圖3所示。當(dāng)微波電場(chǎng)強(qiáng)度大于3 mW/cm時(shí),有較為明顯的AT分裂現(xiàn)象;當(dāng)微波電場(chǎng)強(qiáng)度較小,使AT分裂雙峰遠(yuǎn)小于EIT透明窗口線寬時(shí),雙峰重合在一起,表現(xiàn)出如圖3所示的單峰現(xiàn)象,這極大限制了通過(guò)AT分裂雙峰間距來(lái)測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度的分辨力。但是在多普勒速度分布的影響下,存在較弱的微波電場(chǎng)時(shí)的探測(cè)光透明窗口透過(guò)率大于無(wú)微波電場(chǎng)時(shí)的情形,此現(xiàn)象可以用來(lái)測(cè)量弱微波電場(chǎng),如圖4所示[7]。圖4中由下到上的微波電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加,對(duì)應(yīng)的探測(cè)光透過(guò)率也逐漸增加,可以根據(jù)此關(guān)系來(lái)測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度,最小可測(cè)量的微波電場(chǎng)強(qiáng)度約為8μV/cm[7],透過(guò)率最大處對(duì)應(yīng)的微波電場(chǎng)失諧不為零是地磁場(chǎng)引起的頻率遷移導(dǎo)致的,不影響電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果。

圖4 四能級(jí)系統(tǒng)中的探測(cè)光透過(guò)率曲線[7]

綜上,首先使用激光場(chǎng)與原子相互作用,將原子制備到里德堡態(tài),然后利用電場(chǎng)感應(yīng)透明效應(yīng)測(cè)量微波電場(chǎng):若微波電場(chǎng)強(qiáng)度較大可以產(chǎn)生明顯的AT分裂現(xiàn)象時(shí),通過(guò)測(cè)量AT分裂雙峰間距得到微波電場(chǎng)大小;若微波電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí),通過(guò)EIT透明窗口透過(guò)率隨電場(chǎng)強(qiáng)度增加而增大的現(xiàn)象測(cè)量微波電場(chǎng)。

2 研究現(xiàn)狀分析

國(guó)際上,最早進(jìn)行里德堡(熱)原子微波電場(chǎng)測(cè)量研究的單位是美國(guó)Oklahoma大學(xué)的Shaffer小組,其首次將微波電場(chǎng)測(cè)量分辨力提高到1μV cm-1量級(jí)[7],之后,美國(guó)NIST、法國(guó)ENS-PSL大學(xué)等單外迅速跟進(jìn)。2018年10月,美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(ARL)圍繞里德堡原子開(kāi)展了新型量子傳感器的研究,力求為未來(lái)的士兵配備更精確的電場(chǎng)測(cè)量傳感器[15]。2020年9月,美國(guó)國(guó)防高級(jí)計(jì)劃局(DARPA)宣布開(kāi)展“可用于新技術(shù)的原子蒸氣科學(xué)(SAVaNT)項(xiàng)目,以應(yīng)用于里德堡電場(chǎng)測(cè)量等技術(shù)的研究。這說(shuō)明原子電場(chǎng)計(jì)不僅有較為重要科研價(jià)值,并已經(jīng)獲得了美國(guó)軍方的關(guān)注,有著重要的軍用前景。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展里德堡原子微波電場(chǎng)測(cè)量研究的單位主要有山西大學(xué)激光光譜研究所[34]、華南師范大學(xué)[13]、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)[35]等,但主要聚焦在物理原理上,對(duì)里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量的工程化研究很少。近期,一批國(guó)內(nèi)的研究所也開(kāi)始布局里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量的研究,以迎合測(cè)量量子化趨勢(shì)和國(guó)際熱點(diǎn),主要聚焦于工程化和軍事應(yīng)用領(lǐng)域。

2.1 微波電場(chǎng)的亞波長(zhǎng)成像

使用傳統(tǒng)方法測(cè)量微波電場(chǎng)的空間分布僅有1/4至1/2波長(zhǎng)左右的分辨力,測(cè)量的是傳感器長(zhǎng)度內(nèi)的平均電場(chǎng),不僅具有空間分辨力差、結(jié)果精度低的問(wèn)題,對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)存在遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的缺陷和縫隙時(shí)也無(wú)能為力?；诶锏卤ぴ拥奈⒉妶?chǎng)成像技術(shù)具有極高的空間位置分辨力和強(qiáng)度分辨力,可以應(yīng)用在諸如印刷電路板或介質(zhì)表面電場(chǎng)成像,以及超材料和弱微波環(huán)路上,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 為利用里德堡原子系統(tǒng)對(duì)6.9 GHz微波電場(chǎng)進(jìn)行CCD成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[21],可知微波電場(chǎng)空間分布實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果相吻合。Shaffer小組第一次使用CCD測(cè)量了微波電場(chǎng)的空間分布,具有120μV/cm的強(qiáng)度測(cè)量誤差和66μm的空間分辨力,若使用靈敏度更高的成像器件和更小的原子氣室,可能達(dá)到10 nV/cm和10μm的分辨力。

圖5 微波電場(chǎng)成像結(jié)果[21]

2.2 微波電場(chǎng)的偏振測(cè)量

電磁感應(yīng)透明效應(yīng)應(yīng)用于里德堡原子,可以測(cè)量微波電場(chǎng)的偏振方向電場(chǎng)強(qiáng)度,設(shè)計(jì)實(shí)用的覆蓋100 MHz～1 THz頻率范圍[22-23]的小型便攜的微波電場(chǎng)測(cè)量裝置。

只有偏振方向滿足一定角度的微波電場(chǎng)才與對(duì)應(yīng)能級(jí)的里德堡原子相互作用。當(dāng)微波電場(chǎng)強(qiáng)度固定,偏振方向變化時(shí),對(duì)應(yīng)的探測(cè)光吸收光譜也會(huì)隨之變化,通常探測(cè)光與耦合光的偏振方向已知,則可以根據(jù)吸收光譜測(cè)量結(jié)果推出微波電場(chǎng)的偏振方向或者電矢量方向。第一個(gè)使用里德堡原子測(cè)量微波電場(chǎng)矢量方向的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示,耦合光與探測(cè)光在原子氣室內(nèi)相向傳播,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示[23]。當(dāng)微波電場(chǎng)引起的AT分裂雙峰與無(wú)電場(chǎng)時(shí)的單透射峰完全分開(kāi)時(shí)的偏振測(cè)量靈敏度最高,當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的偏振方向測(cè)量分辨力為0.5°,主要受激光頻率、強(qiáng)度穩(wěn)定性、電子噪音、激光偏振純度等因素限制。

圖6 微波電場(chǎng)偏振測(cè)量裝置

圖7 微波電場(chǎng)偏振測(cè)量結(jié)果[23]

2.3 寬帶微波電場(chǎng)測(cè)量

傳統(tǒng)偶極天線微波電場(chǎng)測(cè)量受限于偶極共振效應(yīng),針對(duì)不同的微波頻率需要更換不同尺寸的天線,在實(shí)際應(yīng)用中不方便。與之對(duì)比,得益于激光技術(shù),尤其是半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展,大頻率范圍的可調(diào)諧激光易于獲得,這使里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)不需更換測(cè)量設(shè)備,僅需調(diào)節(jié)耦合光的波長(zhǎng)就可以實(shí)現(xiàn)大頻率范圍的微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。

圖8 為85Rb原子里德堡能級(jí)n D5/2-(n+1)P3/2共振微波頻率(n=20～130)和對(duì)應(yīng)5P3/2-n D5/2共振激光頻率的變化曲線[24]。由圖8中可知,微波頻率覆蓋1～300 GHz,對(duì)應(yīng)的耦合光波長(zhǎng)為479～487 nm,頻率調(diào)諧為8 nm,這在實(shí)驗(yàn)上很容易實(shí)現(xiàn)。更換其他的原子能級(jí)或者堿金屬原子,有可能覆蓋至100 MHz～1 THz的微波頻率范圍[22]。

圖8 85Rb原子不同里德堡能級(jí)的微波共振頻率

2.4 微波電場(chǎng)零差測(cè)量

使用零差測(cè)量方法消除探測(cè)光強(qiáng)讀出噪音,以提高里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量的靈敏度[25],系統(tǒng)方案如圖9所示。使用馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x構(gòu)成零差測(cè)量方案:將探測(cè)光分為兩部分,一部分經(jīng)過(guò)原子氣室與耦合光和微波電場(chǎng)相互作用,透過(guò)探測(cè)光為本振光,另一部分經(jīng)過(guò)帶壓電陶瓷的反射鏡反射作為參考光,二者經(jīng)過(guò)分束器分束后,被兩個(gè)探測(cè)器接收并做差形成零差測(cè)量。Shaffer小組使用此方法將微波電場(chǎng)測(cè)量靈敏度提高到5μV·cm-1·Hz-1/2,除實(shí)驗(yàn)所用的耦合光、探測(cè)光外,外加一束參考激光,在NBS2處分束,NBS1處合束,也構(gòu)成零差測(cè)量,目的是用來(lái)反饋鎖定壓電陶瓷的位置,抑制振動(dòng)、溫漂等因素導(dǎo)致的臂長(zhǎng)變化,以保證干涉儀相位穩(wěn)定性。

圖9 微波電場(chǎng)零差測(cè)量方法

2.5 微波電場(chǎng)頻率調(diào)諧測(cè)量

受限于里德堡原子四能級(jí)系統(tǒng)的退相干速率,當(dāng)微波電場(chǎng)很弱或不加時(shí),探測(cè)光透明窗口的線寬較大,一般在兆赫茲量級(jí),極大限制了利用AT分裂間距測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度的分辨力,可以使用頻率調(diào)諧方法解決此問(wèn)題,提高里德堡原子電場(chǎng)測(cè)量的靈敏度[26]。

黃金島的夢(mèng)想鐵絲人是實(shí)現(xiàn)不了了，不過(guò)“亞瑟王之劍”嘛，他努力努力，也許還能看上一眼。在墨西哥北部就有現(xiàn)成的“亞瑟王之劍”。它藏在有2 層樓高、5 個(gè)足球場(chǎng)大的奈卡水晶洞里，有著鉆石一樣的外形，漂亮得讓人嘆為觀止！

基本原理是微波電場(chǎng)存在頻率失諧時(shí),AT分裂峰的間距Δfδ變大,滿足關(guān)系式

式中:δrf為頻率失諧量;Δf0為共振時(shí)的AT分裂峰間距。如圖10所示,微波電場(chǎng)較弱時(shí),失諧為30 MHz時(shí)的AT峰頻率間距比零失諧時(shí)大得多。

圖10 微波電場(chǎng)的EIT信號(hào)[26]

圖11 為改變微波頻率失諧對(duì)應(yīng)的AT分裂間距變化測(cè)量結(jié)果,也即微波電場(chǎng)頻率調(diào)諧測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖11可知,測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合的很好。此方法使對(duì)頻率為182 GHz和208 GHz的微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量靈敏度提高了2倍以上,對(duì)功率更低的sub-THz波段微波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量很有意義。

圖11 微波電場(chǎng)頻率調(diào)諧測(cè)量實(shí)驗(yàn)[26]

2.6 里德堡原子天線的數(shù)字通信

用室溫里德堡原子作為微波頻率接收天線,用于數(shù)字通信[22],通過(guò)振幅調(diào)制微波信號(hào)與里德堡原子系綜相互作用,使微波信號(hào)經(jīng)相敏轉(zhuǎn)換至光信號(hào),實(shí)現(xiàn)8位相移健控?cái)?shù)字通信,受限于光子散粒噪聲,通信速率最大為8.2 Mbit/s。微波信號(hào)幅度相移調(diào)制引起的電磁感應(yīng)透明信號(hào)變化如圖12所示,由圖中可知不同相移的微波幅度調(diào)制引起的探測(cè)光譜變化非常明顯如圖12(b),當(dāng)調(diào)制頻率為1.98 MHz時(shí)(圖c),PSK發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)變化較小。

里德堡原子的數(shù)據(jù)通信不受微波頻率和裝置尺寸的限制,而傳統(tǒng)天線的帶寬會(huì)受微波信號(hào)頻率和天線尺寸影響,例如載波為5 GHz時(shí)的802.11 ac Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的單通道最大數(shù)據(jù)傳輸率為867 Mbit/s,帶寬為160 MHz,若天線尺寸為0.5 mm,則帶寬減少到90 kHz,對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸率也大為降低。使用里德堡量子傳感器有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)天線能力的小型、高速微波信號(hào)接收器。

圖12 微波信號(hào)幅度相移調(diào)制引起的EIT探測(cè)信號(hào)變化[22]

3 總結(jié)和展望

里德堡子可以分為冷原子系綜和熱原子系綜,冷原子系綜以微開(kāi)爾文量級(jí)溫度的冷原子團(tuán)作為測(cè)量介質(zhì),需要復(fù)雜龐大的激光冷卻裝置且存在測(cè)量速度低、死區(qū)時(shí)間等問(wèn)題,不滿足里德堡原子電場(chǎng)計(jì)的工程化應(yīng)用需求,與之對(duì)比,熱原子系綜以原子蒸汽氣室中的原子團(tuán)作為介質(zhì),在室溫或接近室溫的條件下工作,大為簡(jiǎn)化了裝置的復(fù)雜性,同時(shí)保留了里德原子的優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)里德堡熱原子微波電場(chǎng)測(cè)量進(jìn)行了綜述。

在標(biāo)準(zhǔn)量子極限條件下,里德堡原子電場(chǎng)計(jì)的理論靈敏度為1 pV·cm-1·Hz-1/2,遠(yuǎn)優(yōu)于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)水平,說(shuō)明原子電場(chǎng)計(jì)的測(cè)量精度還有很大的發(fā)展?jié)摿?。?dāng)前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了零差測(cè)量方法和微波頻率調(diào)諧方法來(lái)提升測(cè)量靈敏度,除了從降低激光頻率功率抖動(dòng)、溫漂、磁場(chǎng)干擾、電子噪音等傳統(tǒng)技術(shù)噪音對(duì)測(cè)量精度的影響方面,還可以從以下幾個(gè)方向進(jìn)行研究,以提升原子電場(chǎng)計(jì)的性能:

1)研究緩沖氣體和緩沖介質(zhì)[26]對(duì)原子氣室馳豫機(jī)制的影響,降低系統(tǒng)退相干速率,提升測(cè)量精度;

2)研究六波混頻[27-28]等多光譜測(cè)量方法,以減小譜線線寬,提升測(cè)量精度;

3)研究微波頻率失諧對(duì)電場(chǎng)感應(yīng)透明信號(hào)的影響[26],解決原子電場(chǎng)計(jì)頻率測(cè)量離散化問(wèn)題;

4)研究微加工原子氣室[29-30]、空心光子晶體光纖里德堡原子[31]、片上激光器[32]、原子芯片等,以實(shí)現(xiàn)原子電場(chǎng)計(jì)的小型化。