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.     

基于原子的微波场测量

本文分别综述了基于热原子、冷原子体系的微波场测量的研究进展,以及基于纠缠原子的高灵敏微波电场测量的最新结果。文中详细介绍了基于原子的微波场测量与实验进展,内容主要包括:热原子样品中,利用里德堡原子的电磁感应透明效应和Autler-Townes效应,实现微波电场的场强测量和微波电场空间分布特征的亚波长空间高分辨率成像。冷原子样品中,介绍了相邻里德堡态与微波的相干耦合强度受微波功率的影响,以及通过铷原子基态超精细能级与微波相干耦合振荡,实现基于原子的新型微波功率标准的研究。此外,利用冷原子探针实现微米级空间分辨率的二维微波场场强分布测量。最后我们对采用原子的量子纠缠态提高微波场强探测灵敏度的技术方案进行了讨论,量子纠缠的引入将有望使微波探测的灵敏度突破标准量子极限,获得优于传统雷达探测灵敏度的测量结果。     

超冷里德堡原子的俘获损耗光谱

本文提供了一种全新的基于俘获损耗荧光光谱技术的里德堡态原子布局测量的方法。相比于场电离光谱该方法可以实现对里德堡态原子数的非破坏测量。利用该方法我们测量了47D5/2和47D3/2里德堡态原子数与里德堡激发光功率的关系,并使用三能级系统的布洛赫方程对实验结果进行了拟合。通过比较实验和理论结果,我们发现当激发光功率超过40μW时,随着激发光光强的变大47D里德堡态原子数目的增加偏离理论预计,出现了激发阻塞现象。     

用于冷原子干涉仪的低相噪信号源设计

冷原子干涉实验中涉及复杂的激光调制技术,为调制器提供合适的射频驱动信号至关重要,驱动信号的相噪直接影响了冷原子干涉仪的灵敏度。设计了一种能够产生6.834GHz信号的低相噪信号源,该信号源采用二级锁相环频率合成技术,将恒温晶振输出的10MHz信号倍频到100 MHz,再将100 MHz信号倍频到7 GHz,最后与外部DDS芯片产生的166 MHz信号混频实现6.834 GHz微波信号源。经过测试,信号源的输出相位噪声为-61.9dBc/Hz@1Hz,满足冷原子干涉实验的需求。     

微波场中里德堡锂原子的高激发跃迁

运用含时多态展开方法研究微波场中里德堡锂原子高激发态的性质,得到锂原子在微波场中的跃迁几率,实现对量子态的操纵与控制.结果表明:选择合适的振幅、频率等参数,可以实现布居数在量子态之间的完全跃迁.     

微波场中里德堡锂原子的高激发跃迁

运用含时多态展开方法研究微波场中里德堡锂原子高激发态的性质,得到锂原子在微波场中的跃迁几率,实现对量子态的操纵与控制。结果表明：选择合适的振幅、频率等参数,可以实现布居数在量子态之间的完全跃迁。     

基于受激布里渊散射和耦合型双环的 可调谐光电振荡器

提出了一种基于受激布里渊散射和耦合型双环的可调谐光电振荡器.该光电振荡器将受激布里渊散射和耦合型双环结构相结合,利用受激布里渊散射的窄带增益谱选择振荡频率,实现微波信号的频率可调谐.通过耦合型双环结构,有效地抑制了微波信号的边模,降低了微波信号的相位噪声,提高了微波信号的频率和功率稳定性.实验结果表明,该结构的光电振荡器可以产生2GHz到18GHz的微波信号,边模抑制比优于60dB,相位噪声在10kHz频偏处低于-95dBc/Hz,在实验室环境下10GHz微波信号30min内频率漂移小于0.3ppm,功率漂移低于0.2dB.     

一种倍频光电振荡器的实现方法

提出了一种利用电光调制器的非线性效应实现光电振荡器倍频输出的方法,通过在光电振荡环路中引入微波分频器,使得利用低频率的电光调制器有可能产生高频率的微波倍频信号输出,从而降低了振荡频率对调制器工作频率的要求。理论和实验研究表明,在微波信号输入功率较低时,调制器将引入较大的附加噪声,会严重恶化光电振荡器输出的倍频微波信号的相位噪声。通过在振荡反馈环路中增加一个微波放大器,减小附加噪声,能够极大地改善倍频信号的相位噪声。当环路光纤为1km时,产生的9GHz倍频信号相位噪声在10kHz频率偏移时达到-104dBc/Hz,比典型光电振荡环路恶化了6dB,同时,保持了较高的输出功率。实验结果与理论分析基本一致,证明了该倍频输出光电振荡器的可行性。     

用B样条函数方法研究碱金属原子里德堡态在静电场中的性质

由原子的模型势出发,利用B样条函数方法研究了钾和铯原子的里德堡态在静电场中Stark态能级反交叉位置以及微波场中钾原子的多光子共振吸收谱.研究表明我们的结果与实验和其他理论结果符合得很好.     

基于FP-LD注入的无本振光载波全光混频技术

提出了一种基于低速信号注入法布里-珀罗型激光二极管(FP-LD)的无本振全光混频技术,利用FP-LD的一个纵模和外部注入信号光的四波混频作用生成的边带锁定纵模产生光载射频信号。通过改变FP-LD的注入光信号强度和偏振态实现副载波频率可变,并根据FP-LD注入锁定特性分析实验结果得到的不同边模抑制比。实验中采用2.7,2.5,1.25 Gb/s非归零(NRZ)码注入FP-LD实现副载波频率分别为16.2,10.0,18.2和20.0 GHz的全光混频,测量16.2 GHz的副载波得到了10 kHz偏移处单边带相位噪声为-81.2,-87.7 dBc/Hz。     

面向天线组阵的光载微波光纤稳定传输技术

光载微波光纤稳定传输技术解决了天线组阵中所需的延时（或相位）稳定的微波信号远距离分配难题，在多天线协同的新一代微波测量中具有不可替代的作用。本文介绍了光载微波光纤稳定传输的基本理论，分析了制约传输稳定性的关键因素，并展示了基于相位预补偿和基于光延时校正的提高传输稳定性的技术途径。通过光电双外差混频的相位检测高灵敏地感知光纤链路延时变化，并分别利用微波相位调控和光延时调控来对这一变化进行高精度的补偿，最终实现了多路时间抖动在数十fs量级的高稳定光载微波传输，为天线组阵等多天线协同微波测量中的信号级同步提供了有效的解决方案。     

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。     

基于受激布里渊散射的可调谐稳定光电振荡器

如何获得频率高、相位噪声低和稳定性高的微波信号一直都是微波光子学领域的研究热点。基于此，提出一种基于受激布里渊散射（SBS）的可调谐光电振荡器（OEO）。实验中光载波和泵浦光来自同一可调谐激光器，利用泵浦光的SBS对光载波的相位调制边带进行放大，通过改变可调谐激光器的输出波长使布里渊频移量发生变化，从而实现输出微波信号的可调谐。实验结果表明，所设计的OEO可以实现频率范围为10.13～10.65 GHz的信号输出，可调谐范围为520 MHz。结构中仅使用了一个相位调制器，无偏压输入器件的引入，这使得所设计的OEO稳定性较高。在20 min内频率漂移小于1 MHz，功率变化小于1.15 dB。     

微波调制的里德堡原子集体量子跳跃

对于一个三能级原子体系,原子的两个基态能级通过微波耦合起来,其中一个基态能级可被激发到里德堡态,从而可观察量子跳跃现象.本文采用量子轨线方法研究了微波调制的里德堡原子集体量子跳跃.研究结果表明,微波耦合基态能级可以提高光子关联,增强光子聚束效应,即使较少的原子中也可以观察到系统在高里德堡占据数态和低里德堡占据数态之间的切换.这一结果为将来进一步研究里德堡自旋晶格中的多体动力学提供了新思路.     

缀饰原子系统中双光子共振非简并四波混频

本文研究了缀饰原子系统中的双光子共振非简并四波混频.理论上我们研究了多普勒增宽的四能级系统中耦合光场对双光子共振非简并四波混频的影响,发现加入强耦合场后,非简并四波混频频谱出现Autler-Townes分裂;在不同双光子共振失谐时,由于量子干涉双光子共振非简并四波混频的信号能够被抑制或增强.实验上我们在Ba原子蒸汽中,通过引入基态6s2和自电离里德堡态6pnd之间的原子相干证实了该现象.本方法提供了一种不仅可以测得共振频率和横向弛豫,而且可以测得两个高激发原子态之间的跃迁的偶极矩阵元的新的光谱学工具.     

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.     

里德堡分子物理的研究进展

里德堡原子是主量子数（n）很大的高激发态原子，由一个或者多个里德堡原子形成的里德堡分子具有大的尺寸，丰富的振转能级，永久的电偶极矩以及对外场非常敏感等特性，不仅包含了里德堡原子的奇异特性，而且在量子信息存储和量子模拟以及在医学中具有广泛的应用价值，引起了国内外学者的研究兴趣。根据束缚机制的不同，里德堡原子形成不同种类的里德堡分子，目前包括里德堡电子与基态原子低能电子散射形成的基态–里德堡分子、里德堡原子间电多极相互作用形成的里德堡–里德堡分子和离子与里德堡原子间电多极相互作用形成的离子–里德堡分子。本文综述了近年来双原子里德堡分子的研究进展，包含三类里德堡分子的形成机制、实验观测及其光谱特性等。     

利用平均场法计算里德堡原子的 偶极阻塞效应

利用平均场法计算了里德堡原子的偶极相互作用,分析了主量子数、拉比频率以及原子密度等对偶极阻塞效应的影响。随着主量子数以及原子密度的增大,原子间的相互作用增强,里德堡原子的偶极阻塞效应越明显;激光功率的增加,能提高里德堡原子的激发几率,但激发几率会趋于饱和,此时里德堡原子间的偶极阻塞效应最为显著。里德堡原子的偶极阻塞效应广泛应用于量子信息等领域。     

测量原子里德堡态的新方法——双光子共振非简并四波混频

本文介绍了一种测量原子里德堡态的新方法--具有中间态的双光子共振非简并四波混频,与现代实验方法不同,该方法是纯光学的方法,其光路简单,检测的是相干光,而不是电子或离子信号.当用窄带宽的激光时,该技术对里德堡能级的窄光谱结构可以获得消多普勒的分辨率.     

光纤稳相微波频率传输中相干瑞利噪声的影响与抑制

利用光纤进行相位稳定的微波频率参考的远距离分配,在深空科学研究、基础物理测量以及多基地雷达技术方面有着广泛的应用需求。研究了基于往返相位校正的光纤稳相传输理论,建立了稳相传输的理论模型,搭建了基于光电延迟锁相环的光纤稳相传输实验系统,理论分析并实验研究了相干瑞利散射噪声对系统传输相位稳定性的影响。研究发现相干瑞利散射噪声不仅直接造成远端信号信噪比恶化,并且通过锁相环路转化为系统残余相位噪声,进一步恶化远端信号的稳定性,成为影响稳相传输系统性能的主要因素。针对该问题,提出了双波长的稳相传输技术,有效地克服了相干瑞利散射噪声的影响,实现了10GHz微波频率参考、100km光纤稳相分发,传输至远端的相位均方根抖动(RMS-jitter)低于730fs。