用于里德堡原子高精度微波電場測量的小型化激光系統設計與實現

成永杰 靳 剛 劉星汛 齊萬泉 何 軍

(1.北京無線電計量測試研究所，北京 100039；2.山西大學光電研究所，量子光學與光量子器件國家重點實驗室，山西太原 030006；3.山西大學，教育部山西省省部共建極端光學協同創新中心，山西太原 030006)

1 引 言

場強是無線電計量的七個基本參數之一。目前微波電場測量與校準通常采用偶極天線等傳統傳感器設備。受測量原理和探頭結構限制，此類設備存在一定缺陷，難以實現場強高靈敏度、高分辨率、高準確度測量；更重要的是，由于采用級聯校準，這些設備的溯源途徑也存在一定局限性。

里德堡原子制備方案中，常見的制備方式主要有二種：單光子激發、級聯雙光子激發。對堿金屬銫原子，單光子激發方案通常采用1560nm和1077nm激光分別放大并和頻后得到638nm激光，然后由638nm激光倍頻得到319nm紫外激光，利用單步激發實現原子的里德堡態制備，該方案可以獲得kHz量級的激光線寬，但系統復雜，機械穩定性差。級聯雙光子激發方案通常采用1018nm半導體激光器作為種子源，激光放大后利用非線性晶體倍頻獲得509nm激光。利用(509+852)nm雙光子激發實現原子里德堡態制備。該方案中509nm激光要求種子源-放大-倍頻等多個光學模塊，技術復雜，系統龐大，價格昂貴，機械穩定性較差。隨著外腔半導體激光技術的快速發展，Avramescu小組采用524nm半導體激光器實現了50mW綠光激光功率輸出。該工作的實現，提供了一種直接獲得短波長綠光激光系統的技術方案，有希望替代傳統頻率轉換方案的綠光激光系統，應用于泵源、傳感、精密測量、海底通信等領域。

目前，受限于半導體材料技術，綠光半導體激光二極管的工作波長范圍在(510～515)nm，對于截止波長增益區外的綠光激光系統，國內外還沒有公開報道。本文選擇特定510nm半導體激光管，通過溫度控制激光二極管工作環境，實現增益區域的藍移，獲得509nm的高增益單頻激光。采用Littorw型光柵外腔反饋技術，實現509nm激光線寬的MHz壓窄，獲得波長連續可調的單頻509nm激光。輸出激光典型功率～80mW。基于該激光系統，結合852nm激光，實現了銫原子里德堡態激發，并獲得了50D和50S里德堡態EIT光譜，驗證了激光系統的性能指標，為開展基于里德堡原子EIT-AT效應的微波電場測量提供了一套結構簡單，性能可靠的509nm綠光激光系統。

2 微波電場測量原理

銫(Cs)原子能級結構如圖1所示。微波電場測量方案中,功率較弱的852nm探測光共振于銫原子6S到6P躍遷線，實現中間態原子布居；功率較強的509nm耦合光泵浦6P態原子到里德堡態，通過強耦合實現原子6P態和

n

D態綴飾。綴飾態的量子干涉會導致原子躍遷通道干涉相消，進而導致852nm探測光吸收減弱，即透射增強的EIT光譜。

圖1 銫原子四能級系統原理圖Fig.1 Principle for four-level system of 133Cs atom

基于里德堡原子量子干涉效應的微波電場測量原理如圖2所示，852nm探測光和509nm耦合光相向傳播作用于銫原子蒸氣室中。當探測光與耦合光共振于銫原子能級時，探測光激光在共振頻率附近產生階梯型三能級EIT。

圖2 里德堡原子微波電場測量裝置原理圖Fig.2 Experimental setup for microwave electric field measurement using Rydberg atom

當沒有微波電場作用時，探測光光譜信號為標準的階梯型能級EIT透射譜，如圖3所示。當施加微波電場與里德堡原子鄰近能級共振時，由于微波場的強耦合導致里德堡原子Aulter-Townes(AT)分裂，進而在852nm探測光的EIT透射峰出現AT分裂，如圖4所示，該分裂大小依賴于施加的微波電場大小。AT分裂寬度

Δf

與外加微波電場的關系可以表示為

(1)

從式(1)可知，

Δf

與微波電場成正比，可以將微波電場測量轉化為分裂頻率的精確測量。

圖3 無微波場作用時的EIT透射譜波形圖Fig.3 Spectrum of EIT signal(RF off)

圖4 微波場作用時EIT-AT分裂信號波形圖Fig.4 Spectrum of EIT-AT signal(RF on)

3 激光系統實現方案及結果

3.1 509nm綠光激光系統實現方案

對于銫原子級聯雙光子兩步激發方案，需要利用高功率的509nm綠光作為耦合光。509nm綠光通常采用1018nm激光通過激光放大和激光倍頻來實現，該方案技術復雜，價格高昂，系統體積龐大，不利于實用和集成化。所以急需一種新的光源產生方案，實現結構簡單，性能可靠的509nm綠光激光系統。

通過激光二極管參數對比優化，選擇波長增益區(510～515)nm激光二極管，利用精密溫控技術實現二極管截止波長區域外的有效增益，實現高性能509nm綠光激光輸出。509nm綠光激光系統實驗裝置如圖5所示，該激光系統包含509nm激光二極管、準直透鏡、光柵、全反鏡。509nm綠光激光二極管輸出光束經過準直透鏡準直，該準直透鏡鍍有(500～520)nm波長的增透膜，以減小激光器內腔損耗。準直后的平行光經過光柵衍射，一級衍射光反饋回激光二極管形成選膜外腔，零級衍射光直接輸出到全反鏡，全反鏡表面鍍有(500～520)nm波長的高反射膜，以減小509nm輸出激光的損耗，509nm激光最后經全反鏡反射后輸出。激光的增益區域通過帕爾貼元件溫度調諧，輸出激光的波長通過驅動電流和光柵后的壓電陶瓷實現調諧。

圖5 509nm綠光激光系統設計圖Fig.5 Experimental scheme of the 509nm laser system

3.2 509nm綠光激光系統測試結果3.2.1 509nm綠光激光輸出功率測試結果

優化激光二極管工作溫度為25℃，通過調節激光二極管注入電流大小，測量了509nm綠光激光器輸出功率隨激光二極管注入電流大小變化曲線，結果如圖6所示。

圖6 509nm綠光激光輸出功率隨電流變化曲線圖Fig.6 509nm Output power versus injection current

從圖6中可知，該509nm綠光激光系統閾值電流在50mA附近，當電流為230mA時輸出激光功率為80mW，其輸出功率滿足里德堡原子制備功率要求(典型功率為30mW)。

3.2.2

509nm

綠光激光輸出波長測試結果

優化激光二極管工作溫度為25℃，通過調節激光二極管注入電流大小，測量了509nm綠光激光器輸出波長隨激光二極管注入電流大小變化曲線，結果如7所示。

圖7 509nm綠光激光波長隨電流變化曲線圖Fig.7 509nm wavelength versus injection current

從圖7中可知，該509nm綠光激光系統輸出典型激光波長(509.52～509.65)nm，可覆蓋多個里德堡原子量子態。

3.3 里德堡原子EIT光譜測試結果

我們采用圖1的實驗方案，利用852nm激光作為探測光，509nm激光作為耦合光，采用級聯雙光子兩步激發方案，通過掃描509nm綠光激光波長，在常溫銫原子蒸氣室中實現了階梯型里德堡態EIT光譜，結果如圖8和圖9所示。圖8為銫原子6S→6P→50D的EIT光譜，圖9為銫原子6S→6P→50S的EIT的光譜，由光譜信號可以看出，利用該綠光激光系統獲得的光譜信噪比和光譜分辨率接近固體激光系統的結果,可以滿足里德堡原子微波電場精密測量對激光系統的需求。

圖8 里德堡原子6S1/2→6P3/2→50D的EIT光譜波形圖Fig.8 EIT spectroscopy of 6S1/2→6P3/2→50D transition

圖9 里德堡原子6S1/2→6P3/2→50S的EIT光譜波形圖Fig.9 EIT spectroscopy of 6S1/2→6P3/2→50S transition

4 結束語

高激發態里德堡原子的特殊性質使得其在量子精密測量、量子信息和量子計算等領域成為了各國研究的熱點。級聯雙光子激發方案作為一種常用里德堡原子的制備方式，受到了廣泛的應用。本文采用Littorw型光柵外腔反饋結構方案，實現了波長可連續調諧，輸出功率大于80mW的509nm綠光激光系統。利用該509nm綠光激光與常規852nm半導體外腔激光器協作，實現了50D和50S里德堡態EIT光譜，為進一步開展里德堡原子微波電場精密測量提供509nm綠光激光系統。