Rydberg原子nS1/2→(n+1)S1/2双光子激发EIT-AT光谱

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS_1/2→(n+1)S_1/2微波耦合的双光子光谱.铯原子基态(6S_1/2)、第一激发态(6P_3/2)、Rydberg态(69S_1/2)形成阶梯型三能级系统,弱探测光作用于基态到激发态6S_1/2→6P_3/2的跃迁,强耦合光则作用于6P_3/2→69S_1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测.频率fMW=11.735 GHz的微波场耦合69S_1/2→70S_1/2的Rydberg跃迁,形成微波双光子光谱.利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响.研究表明:在强微波场作用时,EIT-AT分裂与微波场功率成正比,而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系,理论计算与实验测量结果相一致.本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.     

Rydberg原子nS1/2→(n+1)S1/2双光子激发EIT-AT光谱

主要研究了热原子蒸气池中铯Rydberg原子nS_1/2→(n+1)S_1/2微波耦合的双光子光谱.铯原子基态(6S_1/2)、第一激发态(6P_3/2)、Rydberg态(69S_1/2)形成阶梯型三能级系统,弱探测光作用于基态到激发态6S_1/2→6P_3/2的跃迁,强耦合光则作用于6P_3/2→69S_1/2的Rydberg跃迁形成电磁感应透明(EIT)效应,实现对Rydberg原子的光学探测.频率fMW=11.735 GHz的微波场耦合69S_1/2→70S_1/2的Rydberg跃迁,形成微波双光子光谱.利用EIT-AT分裂光谱研究微波电场强度对双光子光谱的影响.研究表明:在强微波场作用时,EIT-AT分裂与微波场功率成正比,而弱微波场时的EIT-AT分裂与微波场功率成非线性依赖关系,理论计算与实验测量结果相一致.本文的研究对微波电场的精密测量具有一定的指导意义.     

Rydberg原子的微波电磁感应透明-Autler-Townes光谱

主要研究了室温下微波场缀饰的铯Rydberg原子的电磁感应透明-Autler-Townes(EIT-AT)光谱.首先,以铯原子6S_(1/2)→6P_(3/2)→50S_(1/2)形成阶梯型三能级系统,利用强耦合光作用于6P_(3/2)→50S_(1/2)的Rydberg跃迁,弱探测光耦合基态跃迁6S_(1/2)→6P_(3/2)并探测由耦合光形成的电磁感应透明(EIT)效应.然后,以频率为30.582 GHz的微波电场耦合相邻的Rydberg能级50S_(1/2)→50P_(1/2)产生微波AT分裂.利用Rydberg EIT探测微波耦合相邻Rydberg能级产生的AT分裂,形成EIT-AT光谱,进而实现微波电场的测量.当微波场的强度增加到一定值时,EIT-AT光谱表现为多峰光谱结构.分析EIT-AT多峰光谱的成因,发现这主要是由场的不均匀性导致的,一定的EIT-AT光谱特征对应于特定的非均匀场分布.研究表明,利用Rydberg EIT-AT光谱可以实现微波电场的测量,利用其光谱特征可实现微波场的实时监测,进而提出了一种提高微波场空间分辨率的测量方法.     

基于原子的射频识别标签近场散射场矢量测量

基于原子的时间/频率、长度以及磁场、微波电场等方面的量子精密测量近年来引起广泛关注。里德堡原子作为微波精密测量工具,具有可溯源性好、空间分辨率高以及探测灵敏度高等优势。通过室温铯里德堡原子的电磁诱导透明光谱特征分析实现了微波电场矢量空间高分辨测量。利用铯原子蒸气池中共线的耦合光和探测光形成了6S_1/2-6P_3/2-51D_5/2的阶梯型三能级系统,5.365 GHz微波电场将诱导相邻里德堡态51D_5/2-52P_3/2的共振跃迁,导致阶梯型三能级系统的电磁诱导透明光谱发生Autler-Townes分裂。通过计算光谱的分裂间隔可得到可溯源至普朗克常数的微波电场强度,微波电场测量的空间分辨率达到1/31被测微波波长。特别是提出一种新的微波电场极化方向测量方法,解决了基于里德堡原子进行微波电场极化方向测量时无法分辨互补角的问题。通过对射频识别标签的近场散射场进行矢量测量,实现了标签角度的有效识别,角度分辨率达到1.64°,测量结果与有限元分析方法仿真结果吻合地很好。该研究对于微波电场空间高分辨成像、射频识别标签的设计和识别以及电磁兼容测试等方面具有重要价值。     

49S里德堡态的射频双光子光谱

在室温铯原子蒸气池中, 由铯原子基态、激发态和里德堡态构建了阶梯型三能级系统, 研究了里德堡原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT). 在实现电磁感应透明的基础上, 利用16.9 GHz的射频电场耦合相邻的原子里德堡态, 实现49S_1/2→47D_3/2的双光子跃迁, 测量了里德堡原子的射频双光子光谱, 观察到了电磁感应透明光谱的分裂, 进一步研究了电场强度对射频双光子光谱的影响. 利用里德堡原子的EIT效应可实现对射频电场幅值和极化的精密测量, 具有潜在的应用前景.     

基于里德堡原子的电场测量

里德堡原子具有大的极化率、低的场电离阈值和大的电偶极矩,对外部电磁场十分敏感,可以用来测量电场强度特别是微波电场的强度. 利用里德堡原子的量子干涉效应(电磁诱导透明和Autler-Townes效应)测量微波电场强度的灵敏度远高于传统采用偶极天线测量微波电场的灵敏度. 此外,里德堡原子电场计 可以溯源到标准物理量,不需要额外校准; 采用玻璃探头,对待测电场干扰少; 灵敏度也不依赖于探头的物理尺寸. 同时,该电场计还可以实现对微波电场的偏振方向的测量, 实现亚波长和近场区域电场成像与测量. 通过选择不同的里德堡能级,可以实现1-500 GHz超宽频段范围内微波电场强度的测量. 主要综述基于里德堡原子的电场精密测量研究, 详细介绍了里德堡原子电场计的原理与实验进展, 并简单讨论了其发展方向.     

铯蒸气池内微波场空间分布的高分辨测量

本文通过测量铯原子的电磁感应透明光谱在微波电场作用下的Autler-Townes分裂间隔,获得了铯蒸气池中高分辨率的毫米波微波电场强度空间分布特征。文中使用32.65GHz的微波场共振耦合铯里德堡原子49S_(1/2)态和邻近的49P_(1/2)态,得到铯原子6S_(1/2)-6P_(3/2)-49S_(1/2)阶梯型三能级电磁诱导透明光谱分裂信号。我们测量了射频信号发生器输出功率P_(MW)与Autler-Townes分裂宽度的关系,实验结果表明分裂宽度与电场强度(∝P_(MW)~(1/2))有良好的线性关系。根据此线性关系我们对铯蒸气池一维方向的电场强度空间分布进行了测量,理论上获得的空间分辨率达到λ_(MW)/90。     

基于平行板谐振器的量子微波电场测量技术

基于Rydberg原子的量子微波测量技术具有自校准、可溯源、高灵敏度的显著优点,针对如何提高量子微波测量灵敏度的问题,本文从经典电磁理论出发,提出一种终端短路的1/4波长平行板传输线谐振器电场局域增强结构.运用场路结合的分析方法以及等效电路方法,求解平行板传输线谐振器结构端口的反射系数为0.91;利用场的分析方法推导出端口电场强度随时间变化的解析表达式,进行时域分析,绘制了平行板传输线谐振器端口的电场强度瞬态响应曲线,得出平行板传输线谐振器建立稳态的时间为10 ns.研究表明,随着平行板间距的减小,电场强度增强倍数迅速升高,功率密度压缩能力大幅提升.利用|69D_5/2>实验验证了该结构在2.1 GHz可实现25 dB的电场强度增强.本文的研究工作有望在原子测量能力基础上进一步提高测量灵敏度,推动量子微波测量技术的实用化发展.     

弱射频场中Rydberg原子的电磁感应透明

在铯原子室温蒸气池中研究了弱射频场中Rydberg原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT)效应.铯原子基态6S_(1/2)、第一激发态6P_(3/2)和Rydberg 48D_(5/2)态形成阶梯型三能级系统,探测光共振作用于6S_(1/2)(F=4)→6P_(3/2)(F′=5)的跃迁,耦合光在Rydberg跃迁线6P_(3/2)(F′=5)→48D_(5/2)附近扫描,形成Rydberg原子EIT.当对铯原子施加一个80 MHz的弱射频电场时,48D_(5/2)Rydberg原子的EIT光谱发生Stark频移和分裂,同时产生由射频场调制Rydberg能级的偶数级边带,测量结果与Floquet理论模拟的结果相符合.同时,改变弱射频电场的频率研究了铯Rydberg能级的自电离效应对Rydberg原子Stark谱的影响,据此,我们提出将电极板置于铯原子蒸气池内的方案以减少自电离效应的影响.在弱射频Stark谱中,mj=5/2的Stark谱与mj=1/2,3/2的二级边带形成多个能级交叉,这些能级交叉点提供了一种基于原子的精确校准射频电场的新方法.     

基于Rydberg原子的超宽频带射频传感器

Rydberg原子具有极大的极化率和微波跃迁偶极矩,对外界电磁场非常敏感,可实现基于Rydberg原子的超宽频带射频电场的高分辨高灵敏测量.通过Rydberg原子的全光学无损的电磁感应透明探测手段,可以实现基于原子的快速免校准宽频带(0.01-1000 GHz)外电场的精密测量.对于频率大于1 GHz的微波场,由微波场耦合相邻Rydberg能级形成的Autler-Townes分裂进行测量;而对于频率小于1 GHz的长波射频场,由Rydberg能级的射频边带能级进行测量.这种方法是基于原子能级参数,可溯源到基本物理常量,不依赖于外界参考;且对电场无干扰,易于实现微型化和集成化,具有广泛的应用前景.本文主要综述了基于Rydberg原子的外电场测量的最新研究进展,重点介绍长波长射频场的测量,包括电场强度、频率以及极化方向的测量,详细介绍了其测量原理和探测灵敏度,并讨论了其应用前景及未来发展方向.     

基于扩展卡尔曼滤波算法的船载绝对重力测量数据处理

基于冷原子干涉仪的高精度绝对重力动态测量为海洋重力测量提供新的手段,因而备受关注.利用自己搭建的船载冷原子干涉式绝对重力测量系统,在中国南海某海域开展了一系列测量实验.在动态条件下,测量噪声的抑制对测量性能的提升至关重要.本文根据船载绝对重力动态测量系统的物理模型,提出了一种基于扩展卡尔曼滤波算法的动态绝对重力数据处理方法,对观测的原子干涉条纹数据进行了时域滤波处理,获得了绝对重力值的最优估计.基于该处理方法将航速小于2.1 km/h条件下的绝对重力测量灵敏度从300.2 mGal/Hz^1/2提升至136.8 mGal/Hz^1/2(T=4 ms).此外,将处理后的数据与利用地球重力模型(XGM2019)计算的数据进行了比对,发现两者符合度较好.这些结果证实了本文提出的数据处理方法的有效性,并为船载冷原子干涉式绝对重力测量系统的测量噪声的抑制提供了一种新的处理方法.     

基于Rydberg原子的高灵敏微波探测与通信

利用Rydberg原子作为微波传感器实现了微弱场的测量与通信.在铯原子蒸气池中,相向传输的探测光(852 nm)和耦合光(510 nm)与铯原子相互作用形成阶梯型三能级电磁感应透明光谱,用于实现Rydberg原子的光学探测.频率约为2.19 GHz的强微波场作为本地场(E_L),共振耦合相邻的两个Rydberg能级|68D_5/2>和|69P_3/2>,与具有一定失谐δf的待测微弱信号场(E_s)同时作用于Rydberg原子.Rydberg原子作为微波混频器可直接读出两束微波的差频信号,实现待测信号场的高灵敏探测,对应的最小测量值为E₀=1.7μV/cm,频率分辨率小于1 Hz.在此基础上,对微弱信号场进行编码,实验上很好地还原了加载到微波弱场上的基带信号,测量的传输带宽达200 MHz,实现了微弱场条件下的通信.     

一种新颖的表面空心微光阱阵列

提出了采用四台阶相位光栅与微透镜阵列组合产生一种新颖的表面空心微光阱阵列的方案，研究了表面空心微光阱阵列的光强分布，计算了相应的光学囚禁势，并讨论了该微光阱阵列在原子分子光学中的潜在应用.研究表明当用1W的YAG激光照射时，在1cm²面积上可产生近10⁴个空心光阱，每个光阱具有较小的囚禁体积和较大的有效光强及其强度梯度，对⁸⁵Rb原子的光学囚禁势可达190μK.如此深的光阱足以囚禁冷原子或冷分子，并可用于实现全光型原子或分子玻色-爱因斯坦凝聚，甚至制备新颖的光学晶格等. 关键词： 空心光阱 冷原子或冷分子 光学晶格     

超冷铷铯极性分子振转光谱的实验研究

利用激光冷却俘获技术在双暗磁光阱中获得高密度的超冷铷原子和铯原子,通过光缔合方法制备超冷铷铯极性分子.采用共振增强双光子电离技术探测基三重态a³∑⁺的铷铯分子,产率约为10⁴/s.通过改变缔合光频率,获得（2）0⁺,（3）0^-,（2）0^-等分子态的高分辨振转光谱,拟合得到相应的转动常数分别为0.00349 cm^-1,0.00649 cm^-1,0.00372 cm^-1.     

一种针对弱场搜寻态冷极性分子的可控静电表面囚禁方案

提出一种使用带电金属环和六个球电极和一个外加偏置电场实现对冷极性分子静电囚禁的新方案.计算装载和囚禁时空间电场分布.囚禁中心距离芯片表面的高度可以通过外电场和环形电极所加电压来操控.蒙特卡罗模拟表明对于中心速度为15 m·s^-1的ND₃分子束,装载效率可以达到70%,得到冷分子的温度大约为45 mK.当继续增加偏置电场强度时,单阱分裂为对称的两个阱.如果同时改变球形电极上所加电压,得到不对称的两个阱,可以借此来调节两个阱中所囚禁的冷分子数目的比例.为了易于理解,用蒙特卡罗方法模拟了装载、囚禁、分裂冷分子波包的动力学过程.     

用吸收法对铯原子磁光阱中冷原子数目的测量

介绍了吸收法测量冷原子数的原理以及对铯原子气室磁光阱中俘获的冷原子数目的测量过程及结果. 与通常的荧光收集法相比，在原理上与静止二能级原子同共振单模光场作用的模型更加接近，同时大大减小了测量中的误差累积，提高了测量精度. 测得的冷原子数为(8±0.3)×10⁶，同时还利用测得的阱中俘获的稳态冷原子数和磁光阱中冷原子的寿命间接获得了磁光阱的俘获率. 关键词： 激光冷却与俘获 磁光阱 冷原子数目 俘获率     

Ca和Sr原子n′dnl自电离态在低电场中的线性Stark效应

用激光多步激发技术观察了Ca和Sr原子n′dnl双电子激发自电离态的电场效应。Stark光谱显示,在F<1/3n⁵的低电场中,Stark能级分裂与外电场强度线性相关。也观察了近简并l亚能级的Stark混合使自电离共振谱线在外电场中的增宽。这一效应在高温等离子体中对双电子复合速率的增加起重要作用。 关键词：     

近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线关联的模拟研究

雷暴期间地面宇宙线强度变化的研究对理解大气电场加速宇宙线次级带电粒子的物理机理具有重要意义. 分析西藏羊八井ARGO实验中2012年大气电场的数据后发现, 近地雷暴电场的强度可达1000 V/cm甚至更高. 用Monte Carlo方法模拟研究了近地雷暴电场与羊八井地面宇宙线强度的关联. 当雷暴电场强度(取1500 V/cm)大于逃逸电场时, 宇宙线次级粒子中正、负电子的数目呈指数增长, 在大气深度约520 g/cm²处达到极大值, 与Gurevich等提出的相对论电子逃逸雪崩机理和Dwyer理论相符. 当雷暴电场强度小于逃逸电场时, 在所有负电场范围和大于600 V/cm的正电场范围, 总电子数目随电场强度的增大而增加; 当正电场小于400 V/cm时, 总电子数目均出现一定幅度的下降; 在电场为400–600 V/cm范围内, 总电子数目的变化与原初粒子的能量有关, 原初能量小于80 GeV时, 其次级粒子中总电子数目增加, 原初能量在80–120 GeV 范围内时, 总电子数目变化不明显, 原初能量大于120 GeV时, 总电子数目出现下降, 下降幅度约4%. 模拟结果可对羊八井ARGO实验的观测结果给予合理的解释.     

调制激光场中Rydberg原子的电磁感应透明

本文主要研究了调制探测激光场中铯Rydberg 原子阶梯型三能级系统的电磁感应透明(EIT) 效应. 铯原子基态6S_1/2, 第一激发态6P_3/2 和Rydberg 态形成阶梯型三能级系统, 探测光作用于6S_1/2 (F = 4)→6P_3/2(F' = 5) 的跃迁, 耦合光在Rydberg 跃迁线6P_3/2→49S_1/2 附近扫描, 形成Rydberg 原子EIT. 当对探测光频率施加一个几kHz 的调制时, 调制解调后的EIT 信号分裂为两个峰, 双峰间距与调制频率无关,而与调制幅度导致的失谐量大小(频率调制幅度) 成正比, 双峰间隔的一半等于探测光频率调制幅度的λ_p/λ_c = 1.67 倍. 实验结果与理论计算相一致. 本文的研究结果可应用于激光线型和频率抖动的实时监测.     

基于磁光阱中~6Li冷原子的真空度测量

2018年第26届国际计量大会召开后,伴随着国际单位制的重新定义,真空量值加速了其量子化进程.在超高/极高真空测量领域,可基于囚禁在磁光阱中的冷原子与背景气体碰撞的损失率以及损失率系数反演真空度.本文从磁光阱中冷原子真空测量的基本原理出发,基于量子散射理论小角近似和冲激近似计算了~6Li冷原子与背景气体碰撞的损失率系数,并利用光缔合法测定了在一定磁场和光场条件下的磁光阱阱深,基于两级磁光阱装置通过拟合冷原子数的衰减曲线精确提取出了碰撞损失率.最后在1×10^-8—5×10^-6 Pa压强范围内将真空反演量值与电离计示数对比,分析了制约测量精度提高的因素并提出了改进措施.