全紅外光激發里德堡原子微波電場測量

游書航,蔡明皓,張浩安,劉紅平

(中國科學院精密測量科學與技術創新研究院,武漢 430071)

0 引言

微波(microwave,MW)特指頻率在300 MHz至300 GHz波段的電磁波,是現代社會無線通信、科學研究、軍事國防等領域極為重要的媒介和工具。微波探測技術是現代無線通信應用的關鍵基礎技術之一,尤其是在國防領域。一方面微波通信是軍事通信的核心頻段,另一方面利用微波進行探測和定位是軍事偵測的主要手段,因此,高精度微波探測技術是面向未來戰場電磁感知的重要研究工作之一。而傳統的微波探測與接收主要依賴于金屬天線,雖然能基本滿足現代生活生產的基本需求,但是仍存在校準難、自干擾、體積受限和單位體積靈敏度低等缺陷[1]。基于量子相干效應的里德堡原子微波探測技術完全可以避開這些缺陷,近年來受到國內外科學家的廣泛關注[2-4]。

里德堡原子(Rydberg atoms)是處于主量子數較大的激發態原子,具有大偶極矩、大原子半徑及長壽命等特點[5-6],因此對外場極為敏感,是當今原子物理學研究的熱點和重點之一,也是未來發展量子計算、量子精密測量的重要物理載體。利用里德堡原子進行微波電場的精密測量最早是基于電磁誘導透明(electromagnetically induced transparen-cy, EIT)和AT劈裂(Autler-Townes splitting)效應對微波電場功率的測量[4,7],這種測量方式準確度高、抗干擾能力強且具有自校準特性[8],但是可測量范圍比較局限。后來人們在此基礎上發展出調制[9](modulation)和超外差[10](superheterody-ne)等方法,并且逐步實現了基于里德堡原子對微波電場的強度[11]、相位[10]、偏振[12]及入射角[13]等參數的精密測量,然后進一步實現了微波通信[14-15]、亞波長成像[16-17]和微波穩頻[18]等實用技術。

目前主流的里德堡原子激發方法是兩步激發方案——即一個紅外光加一個短波長的藍光——例如激發銣原子的780 nm和480 nm方案[19],激發銫原子的852 nm和509 nm方案[11],這種激發路徑光結構較為簡單、激發效率高且較為成熟。但是,對于目前主流的量產短波長激光器均采用紅外光倍頻加激光放大的方案,這樣就造成短波長激光器的造價昂貴、體積較大且激光模式和頻率較不穩定,于是提出了一種全新的激發方案——全紅外光三步激發方案[20-21]。該方案用2個紅外光代替短波長藍光,通過三步躍遷將原子激發到里德堡態,如本工作中就采用776 nm和1 260 nm激光代替480 nm激光,從而將銣原子激發到里德堡態,這樣可使激光器的體積大為減小,紅外激光的功率、模式等更為穩定、更容易掌控,基本可以做到開機即用。因此,利用全紅外光激發里德堡原子進行微波電場測量將成為未來新型微波探測的重要方案之一。

本文從研究全紅外光激發里德堡原子光學過程入手,然后基于該方案對微波電場的大小進行初步探測,并與雙光激發方案的結果進行比較,從而證明全紅外光激發方案的可行性與極大潛力。

1 實驗裝置

本工作是基于激發Rb85原子至里德堡態的微波探測。如圖1所示,780 nm激光將Rb85原子沿著D2線從基態5S1/2激發到第一激發態5P3/2,776 nm激光再將原子從5P3/2泵浦到中間態5D5/2,隨后由1 260 nm 激光將原子激發到里德堡態41F7/2。最后,在本工作中是以與41F7/2和42D5/2之間32 GHz的微波躍遷共振為探測目標,通過超外差機制實現對該目標場的超高精度探測。

圖1 全紅外光激發里德堡Rb85原子微波探測能級示意圖Fig.1 The energy levels diagram of the microwave detection by Rydberg Rb85atoms excited by all infrared lasers

圖2所示為本工作中的全紅外光激發里德堡Rb85原子實驗裝置平臺示意圖。本工作中的全紅外激光均由外腔式半導體激光器產生,分為激光頭和控制臺(controller),并且所有的激光均采用Pound-Drever-Hall (PDH)技術[22]進行頻率穩定——部分激光經過調制通過光纖(fiber)引入FP頻率標準腔(Fabry-Perot cavity,FPC)后產生誤差信號,再將誤差信號送入激光器控制臺從而實現激光穩頻。Rb氣室(vapor cell)為長7.5 cm的圓柱體真空玻璃氣室,780 nm激光由左向右穿過氣室,最后被光電探測器(photodetector,PD)接收,776 nm激光和1 260 nm激光由二向色分色鏡合束后與780 nm激光對向穿過氣室。本工作中的目標場為31.887 GHz微波場,由微波信號發生器產生,經過波導線傳輸至方形微波喇叭天線發射至Rb氣室所處的自由空間區域,最終與里德堡原子發生耦合并被探測。

圖2 全紅外光激發里德堡Rb85原子實驗裝置示意圖Fig.2 Experimental setup of Rydberg atoms excited by all infrared lasers

2 實驗結果

2.1 雙光電磁誘導透明

三光EIT是基于雙光EIT構建的,首先從簡單的780 nm激光和776 nm激光構成的雙光梯形EIT出發。圖3所示為實驗所得的雙光梯形EIT光譜,其中780 nm激光根據飽和吸收譜(saturation absor-ption spectrum,SAS)鎖定在躍遷|5S1/2,F=3>→|5P3/2,F=4>上。可以看到,雖然由于多普勒熱展寬和激光的功率展寬使得光譜的很多細節都被淹沒,但是依舊能清晰地分辨出3個譜峰,根據780 nm鎖定位置及776 nm波長可知3個峰分別對應中間態5D5/2(F=3,4,5)3個超精細結構。

圖3 780 nm激光和776 nm激光形成的雙光梯形EIT光譜Fig.3 Two-laser ladder EIT spectrum formed by the 780 nm laser and the 776 nm laser

2.2 三光電磁誘導吸收

接下來加入第三束紅外1 260 nm激光,實驗中通過將776 nm鎖定在雙光EIT光譜的某一個頻率點(圖3中的藍色星標記點代表不同的頻率鎖定點),然后在41F7/2態附近掃描1 260 nm激光的頻率,就可以得到一個光譜峰,如圖4(對應的776 nm激光鎖定點為圖3中的B點)所示。很明顯與EIT不同的是,該譜峰的方向是向下的,因此不再是EIT峰,而是電磁誘導吸收(electromagnetically induced absorption,EIA)峰,可以看到,EIA峰的半高寬約為18 MHz。

圖4 三紅外光形成的三光梯形EIA光譜Fig.4 Three-laser ladder EIA spectrum formed by the 780 nm laser, the 776 nm laser and the 1 260 nm laser

從實驗結果中發現,當776 nm激光處于不同頻率鎖定點時(即776 nm處于不同失諧條件下),得到的EIA光譜不論是峰值強度還是信噪比都具有較大差異,正如圖5所示。一方面,當776 nm激光處于較遠失諧時(A、D兩點),EIA光譜信噪比明顯較處于近失諧或共振時(B、D兩點)要小;另一方面,負失諧鎖定時(A、B兩點)明顯比共振和正失諧時(C、D兩點)譜線強度要大得多。我們知道譜線強度越強則說明被激發的原子越多,信噪比越高則接收信號的靈敏度越高,因此綜合兩方面來看,776 nm激光處于適當負失諧時有利于對微波的探測。

圖5 當776 nm分別處于A、B、C、D這4個鎖定點下,得到的不同EIA光譜Fig.5 Different EIA spectrums under the condition of the 776 nm laser locked in frequency-point A,B,Cand D

2.3 超外差機制下的微波探測

2.3.1 利用AT分裂原理和標準天線方法對微波喇叭天線進行標定

微波與里德堡原子相互作用會使原子譜線產生分裂,且分裂的頻率間隔Δf與微波的強度具有嚴格的數學關系

(1)

其中,ΩMW是微波電場的拉比頻率(Rabi frequency),這種譜線分裂現象被稱為AT分裂效應,正如圖6所示。這種數學關系保證了微波強度測量具有標準意義,因為微波強度與基本物理常數關聯起來,在未來制定微波電場強度單位標準時該方法具有極大潛力。但是,原子光譜的展寬使得并不是所有的微波強度都能引起譜線可分辨的分裂,因此該方法也具有一定局限性。

圖6 微波與里德堡原子相互作用引起的譜線分裂Fig.6 The splitting of spectral line because of the interaction between the Rydberg atoms and microwave

在實驗中,需要對比微波的發射強度與原子探測區域的實際強度,尤其是在AT分裂的微波強度區間以外,因此首先需要對微波喇叭天線進行校準。這里采用標準天線方法(standard antenna method,SAM),即

(2)

其中,E為實際電場強度;PMW為微波源的功率;η為鏈接損耗;g為喇叭增益系數;α1為內稟阻抗;d為喇叭天線到原子氣室的空間距離。η、g、α1和d在實驗中均為常數,因此將式(2)化簡為

(3)

圖7 微波與里德堡原子相互作用引起的譜線分裂Fig.7 The splitting of spectral line due to the interaction between the Rydberg atoms and microwave

2.3.2 基于超外差方法的微波電場探測

超外差接收的原理是在接收端設置一個本地場(local),讓本地場和待接收的信號場(signal)時鐘同步形成拍頻,拍頻的頻率要遠小于信號場,從而使得后續信息處理更為簡單、效率更高。本工作中使用2個微波,一個作為固定的本地微波場,一個作為模擬的信號微波場,2個微波間有2 kHz的頻率差,并且2個微波利用10 MHz的時鐘頻率信號進行了同步。

圖8所示為Signal微波強度分別在1.27 mV/cm、637.7 μV/cm和319.6 μV/cm情況下里德堡原子接收到的拍頻信號。可以看到,里德堡原子對于拍頻的感應是最為靈敏的,且分辨率較高,即使在319.6 μV/cm下依然有非常清晰的正弦信號輪廓,并且采集的光電信號強度和Signal微波的電場強度之間是成嚴格的正比關系。

圖8 里德堡原子接收不同強度的Signal微波下的光電信號圖Fig.8 The photoelectric signals when Rydberg atoms receive various intensities of signal microwave

為了得到里德堡原子探測微波電場的極限靈敏度,采集了本實驗中的噪聲基底。根據靈敏度計算公式

(4)

圖9 里德堡原子微波探測的噪聲功率譜Fig.9 The noise power spectrum in the microwave detection by Rydberg atoms

3 結論

本工作從實驗上演示了基于里德堡銣原子對微波電場的精密探測,主要實驗步驟如下:

1)實現了全紅外光下銣原子的里德堡激發,并且研究了雙光EIT對三光EIA的光學影響;

2)成功實現了微波與里德堡銣原子的耦合相互作用,得到了AT分裂光譜,并利用該現象實現了對微波喇叭天線的損耗標定;