里德堡原子EIT一维驻波耦合光场相干增强的微波测量

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里德堡原子相较于处于基态的原子由于其外层电子与原子核之间距离较大,电子受到原子核的束缚力更弱,因此外部电场对里德堡原子外层电子影响更大,并且相邻主量子数的里德堡原子能级间隔较近,可覆盖微波-太赫兹波的频段(~GHz-THz),同时得益于里德堡原子的长寿命可得到较长的相干测量时间,因此利用里德堡原子进行微波电场精密测量和传感的研究正在成为国内外新的热点。本文提出通过基于耦合光一维驻波场的里德堡原子电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)光谱,研究基于一维驻波场耦合光相干增强情况下的微波测量。实验首先利用852 nm的弱探测光和510 nm强耦合光实现铯原子(6S1/2?6P3/2?48D5/2)的两步激发,将铯原子由基态激发至确定的里德堡态;同时双光子共振激发跃迁过程在系统中形成了阶梯型三能级体系。通过对耦合光反射光场与入射光场在高增透镀膜的铯原子汽室中的模式匹配,构建里德堡原子耦合光的一维驻波场,测量了电磁诱导光谱,分析了一维驻波耦合光场相干增强对电磁诱导透明谱线的影响;随后引入微波场,在特定频率的微波场作用下,铯原子被从48D5/2相干耦合至另一个里德堡态(49P3/2),微波电场的加入将导致里德堡原子电磁诱导透明光谱出现Autler-Townes(A-T)分裂现象,分析一维驻波耦合光场相干增强对A-T分裂谱线的影响,并在此基础上对幅度调制的微波电场进行了测量,评估了一维驻波场的引入对微波电场测量信噪比和频率响应特征曲线的影响。文章内容结构安排如下:首先介绍里德堡原子的特性,从理论上分析三能级系统EIT效应以及四能级系统A-T分裂效应,同时对一维驻波耦合光场相干增强模型进行理论分析,阐述基于里德堡原子EIT一维驻波耦合光场相干增强的原理。然后,搭建三能级EIT系统及四能级的EIT-AT系统,在此基础上获得一维驻波耦合光场相干增强下EIT信号和A-T分裂信号,实现幅度调制微波电场的探测。结果表明,在保证入射耦合光光强不变的情况下,一维驻波耦合光场增强在较低微波功率下可提升微波信号测量信噪比与响应带宽,同时在较高微波功率下一维驻波场的形成可有效消除微波频率响应曲线的双峰特征,使其表现为更平坦的频率响应特征。最后,对基于里德堡原子EIT一维驻波耦合光场相干增强的微波测量系统进行总结,提出接下来的工作方向,并对基于里德堡原子的微波精密测量研究进行展望。本研究结果对实现低功耗、频率响应曲线平坦的微波电场测量传感器具有一定的参考价值。
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