樊佳蓓 郝麗萍 白景旭 焦月春2)? 趙建明2)? 賈鎖堂2)

1) (山西大學(xué)激光光譜研究所， 量子光學(xué)與光量子器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030006)

2) (山西大學(xué)極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心， 太原 030006)

1 引 言

無線電波作為現(xiàn)代通信技術(shù)的主要載體， 在國防建設(shè)、無線通信、生物科學(xué)以及新一代5G 技術(shù)中發(fā)揮著極其重要的作用.其中微波技術(shù)更是在雷達(dá)探測(cè)[1]、氣象預(yù)測(cè)[2]以及無線通信[3]等現(xiàn)代科技領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用， 因此微波探測(cè)技術(shù)具有重要意義.傳統(tǒng)的微波測(cè)量主要基于偶極天線[4-6]，通過微波誘導(dǎo)金屬中自由電子產(chǎn)生有規(guī)律的感應(yīng)電流來提取微波電場(chǎng)的信息， 由于自由電子熱運(yùn)動(dòng)在感應(yīng)電流中引入隨機(jī)熱噪聲， 使經(jīng)典微波測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度探測(cè).目前， 傳統(tǒng)測(cè)量方法主要存在如下技術(shù)限制: 1) 預(yù)校準(zhǔn); 2) 探頭尺寸大， 尤其對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)天線喇叭; 3) 帶寬小， 對(duì)于不同的接收波長(zhǎng)需要換用不同的天線; 4)分辨率和靈敏度較低 (1 mV/cm); 5) 測(cè)量誤差較大(5%—20%)， 已不能滿足日益發(fā)展的科學(xué)和技術(shù)的需求.

量子測(cè)量技術(shù)的興起與發(fā)展[7]促進(jìn)了微波測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步， 基于Rydberg 原子[8]的微波測(cè)量技術(shù)受到人們廣泛的關(guān)注和青睞.Rydberg 原子作為一種人造的巨型原子， 具有極大的極化率( n7)，相鄰能級(jí)間隔處于微波波段且具有極大的微波躍遷偶極矩( n2)， 對(duì)外場(chǎng)極為敏感[9].Rydberg 原子作為電磁場(chǎng)傳感器， 可實(shí)現(xiàn)基于Rydberg 原子量子相干效應(yīng)的全光學(xué)[10-12]的外場(chǎng)測(cè)量.2007 年，Adams 小組[13]首次在Rydberg 原子中觀察到電磁感應(yīng)透明(EIT)效應(yīng)， 實(shí)現(xiàn)了Rydberg 原子的光學(xué)探測(cè).2012 年， Shaffer 小組[14]首次在實(shí)驗(yàn)上利用微波耦合相鄰Rydberg 能級(jí)產(chǎn)生的Autler-Townes (AT)分裂[15-18]， 實(shí)現(xiàn)了基于Rydberg 原子的微波弱場(chǎng)測(cè)量， 測(cè)量的最小值達(dá)8 μV/cm， 測(cè)量靈敏度為30 μV/cm/Hz.隨后， 他們通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)， 利用馬赫-曾德爾干涉儀和零差探測(cè)技術(shù)將測(cè)量靈敏度達(dá)提高到5 μV/cm/Hz[19]， 并且提出光子散粒噪聲是限制測(cè)量靈敏度進(jìn)一步提高的主要原因.利用Rydberg 原子還可實(shí)現(xiàn)微波場(chǎng)極化方向[20，21]和靜態(tài)電場(chǎng)[22]的測(cè)量， 以及高分辨率微波成像[23]等.上述基于Rydberg 原子EIT-AT效應(yīng)的微波測(cè)量是通過測(cè)量AT 分裂間隔得到微波場(chǎng)的強(qiáng)度， 測(cè)量的有效范圍受到EIT 譜線線寬的限制.在冷原子中獲得窄線寬的EIT 譜線， 可實(shí)現(xiàn)100 μV/cm 的最小測(cè)量值[24].為了突破EIT 譜線線寬的限制， 近年來， 人們發(fā)展了基于Rydberg原子的拍頻測(cè)量技術(shù)[25-27]， 根據(jù)拍頻信號(hào)的大小讀出待測(cè)場(chǎng)的強(qiáng)度， 實(shí)現(xiàn)了微波測(cè)量極限的突破，可實(shí)時(shí)測(cè)量的最小值達(dá)到0.4 μV/cm， 通過積分測(cè)量達(dá)到780 pV/cm.

同時(shí)， 人們也發(fā)展了基于Rydberg 原子的微波通信技術(shù)， 將Rydberg 原子作為微波接收天線，通過調(diào)制技術(shù)將基帶信號(hào)編碼到微波中， 實(shí)現(xiàn)了Rydberg 原子對(duì)基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)讀出.2018 年， 首次報(bào)道了利用Rydberg 原子的EIT-AT 效應(yīng)， 演示了調(diào)幅微波場(chǎng)的通信， 實(shí)現(xiàn)了1 MHz 基帶信號(hào)場(chǎng)的傳輸[28].隨后， 人們對(duì)其數(shù)據(jù)的傳輸能力[29]、信號(hào)保真度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍[30]以及微波載波的帶寬[31]等進(jìn)行了研究， 最近相繼報(bào)道了基于Rydberg原子的調(diào)頻[32]、調(diào)相[33]等多種通信方式.上述的報(bào)道都是基于Rydberg 原子EIT-AT 效應(yīng)進(jìn)行的通信技術(shù)， 所需載波場(chǎng)功率較大， 在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制.

本文以2.19 GHz 的微波場(chǎng)耦合|68D5/2〉→|69P3/2〉的躍遷為例， 利用Rydberg 原子階梯型三能級(jí)EIT 光學(xué)探測(cè)方法， 研究了基于Rydberg 原子拍頻技術(shù)的微弱場(chǎng)測(cè)量和通信.采用Rydberg原子作為微波混頻器， 測(cè)量了不同信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度下，拍頻信號(hào)幅值的變化以及頻率分辨率， 最小測(cè)量值為 E0=1.7 μV/cm ， 頻率分辨率小于1 Hz.并將此方法用于通信， 實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的傳輸和讀取， 測(cè)量的傳輸帶寬可達(dá)200 MHz.本文的研究對(duì)于電磁場(chǎng)的量子精密測(cè)量和通信具有重要的意義.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于銫Rydberg 原子的拍頻方法實(shí)現(xiàn)微弱場(chǎng)的測(cè)量和通信的實(shí)驗(yàn)裝置和相關(guān)的躍遷能級(jí)如圖1(a)和圖1(b)所示.一束852 nm (Toptica，DL Pro)的探測(cè)光 λp以及一束510 nm (Toptica，DLpro + Precilasers YFL-SHG-509-1.5)的耦合光λc相向作用于銫原子蒸氣池中， 其中探測(cè)光共振激發(fā) | 6S1/2， ( F =4)〉→|6P3/2，(F′=5)〉 的躍遷， 耦合光作用于 | 6P3/2，(F′=5)〉→|68D5/2〉 的躍遷， 形成階梯型Rydberg EIT 系統(tǒng)， 由EIT 信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)Rydberg 原子的光學(xué)探測(cè).頻率為2.19 GHz 的微波場(chǎng)作為本地場(chǎng) ( EL) ， 共振耦合相鄰的兩個(gè)Rydberg 態(tài) | 68D5/2〉→|69P3/2〉 ， 產(chǎn) 生EIT-AT 分裂; 另一具有一定頻率失諧 δf 的待測(cè)微弱信號(hào)場(chǎng)(ES)與本地場(chǎng)合束后輸入到微波喇叭中， 沿垂直于激光傳播的方向入射作用于原子蒸氣池中.Rydberg EIT 可直 接 讀出頻率 為 δf 的拍頻信 號(hào)，將拍頻信號(hào)輸入到鎖相放大器并與同頻的參考信號(hào) fref進(jìn)行解調(diào)實(shí)現(xiàn)待測(cè)信號(hào)的測(cè)量.實(shí)驗(yàn)中激光的偏振和微波的偏振方向保持一致.對(duì)于實(shí)現(xiàn)弱場(chǎng)條件的通信， 將待傳輸?shù)幕鶐盘?hào)通過傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)加載到微弱信號(hào)場(chǎng)中.另外， 為了減少激光功率波動(dòng)對(duì)微弱場(chǎng)測(cè)量造成的影響， 作用一束不與耦合光重合的參考光， 該參考激光經(jīng)過銫原子蒸氣池后與探測(cè)光一起進(jìn)入差分探測(cè)器.為了減少因光學(xué)元器件對(duì)微波反射引起的測(cè)量誤差， 將SA 泡沫角錐吸波材料置于蒸氣池的周圍， 如圖1(a)所示.在展示通信的實(shí)驗(yàn)中， 將基帶信號(hào)通過振幅調(diào)制技術(shù)加載到弱信號(hào)場(chǎng)作為載波， 由Rydberg 原子實(shí)現(xiàn)傳輸信號(hào)的直接讀出.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微弱場(chǎng)測(cè)量

基于Rydberg 原子的微波場(chǎng)測(cè)量原理是微波耦合相鄰Rydberg 原子能級(jí)時(shí)產(chǎn)生的AT 分裂， 即EIT-AT 分裂光譜[34，35].電場(chǎng)強(qiáng)度E 正比于AT 分裂的間隔 ΔAT， 表示為

圖1 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置圖.λp = 852 nm 的探測(cè)光與 λc = 510 nm 的耦合光相向作用于銫原子蒸氣池中， 兩束激光偏振相同.探測(cè)光經(jīng)偏振分光棱鏡(PBS)分為兩束， 一束與耦合光重合形成EIT， 另一束作為背景光通過蒸氣池， 兩束光經(jīng)樣品池后進(jìn)入平衡零拍探測(cè)器(PDB)， 以減小由于功率起伏引起的噪聲.較強(qiáng)的本地場(chǎng) ( EL) 與待測(cè)信號(hào)場(chǎng) ( ES) 合束后通過微波喇叭出射作用于銫原子.吸波材料(WAM)置于蒸氣池周圍以減少由光學(xué)元件引起微波反射而產(chǎn)生的測(cè)量誤差.當(dāng)此裝置用于通信信號(hào)的傳輸時(shí)， 將基帶信號(hào)由幅度調(diào)制方式加載到弱信號(hào)場(chǎng).(b) 四能級(jí)原子示意圖.探測(cè)光 λp 共振作用于銫原子基態(tài) | 6S1/2〉 至 激發(fā)態(tài) | 6P3/2〉 的躍遷.耦 合光 λ c 作用 于 | 6P3/2〉→|68D5/2〉 的Rydberg 躍遷.本地場(chǎng) ( EL) 共 振 耦合相 鄰 的Rydberg 能級(jí) | 68D5/2〉 與 | 69P3/2〉 ， 待測(cè)弱場(chǎng) ( ES) 與本地場(chǎng)相差頻率δfFig.1.(a) Sketch of the experimental setup.A probe laser， λp = 852 nm， and a coupling laser， λc = 510 nm， are counter-propagated through a cesium room-temperature cell with same polarization.An 852 nm laser is separated into two with a PBS， one is counter-propagated with the coupling laser forming EIT， while the other passes through the vapor cell as a reference beam.Both are detected with a PDB to reduce the background noise caused by laser power fluctuation.A strong local field ( EL) and the weak signal field ( ES) are combined by a power combiner and coupled to free space to interact with Rydberg atoms via a microwave horn.The WAM is placed around the vapor cell to reduce reflection of microwave field.The baseband signal is encoded into the weak signal field with amplitude modulation when communication signals are transferred.PBS， polarizing beam splitter; PDB，balanced amplified photo-detectors; WAM， wave-absorbing material.(b) Diagram of four-level scheme.A probe laser is resonant with the ground transition， | 6S1/2〉 → | 6P3/2〉 ， and the coupling laser drives the Rydberg transition， | 6P3/2〉→|68D5/2〉.The local field ( EL) is resonant with two Rydberg levels | 68D5/2〉 and | 69P3/2〉 ， the weak signal field ( ES) has frequency difference δf with local field.

其中， E 為電場(chǎng)強(qiáng)度， ? 為約化普朗克常數(shù)， μ 表示微 波電 場(chǎng)耦 合 的Rydberg 態(tài) | 68D5/2〉 到 | 69P3/2〉 的躍遷矩陣元.微波場(chǎng)耦合Rydberg 能級(jí)產(chǎn)生的AT 分 裂 大 小 等 于 微 波 場(chǎng) 的Rabi 頻 率 ΩMW， 即2π×ΔAT=ΩMW.由(1)式可知， 分裂間隔與電場(chǎng)強(qiáng)度成線性依賴關(guān)系.由EIT-AT 光譜獲得AT分裂的大小， 即可知微波電場(chǎng)的大小， 實(shí)現(xiàn)基于Rydberg 原子的微波場(chǎng)的測(cè)量.但是當(dāng)微波場(chǎng)強(qiáng)度減小到對(duì)應(yīng)的AT 分裂小于EIT 譜線線寬時(shí)，(1)式不再成立， 利用EIT-AT 分裂測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度的技術(shù)不再適用.這里利用拍頻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微弱場(chǎng)的測(cè)量， 其測(cè)量原理簡(jiǎn)述如下.將一束強(qiáng)的本地場(chǎng)( EL)與一束弱的待測(cè)信號(hào)場(chǎng)( ES)同時(shí)作用于原子蒸氣池.兩微波場(chǎng)分別表示為

其中 Δ ω =ωL-ωS?=(ωL+ωS)/2 ，Δφ=φLφS.實(shí)驗(yàn)中， 兩微波場(chǎng)頻率相差 δ f = Δ ω / 2π =50 kHz.利用10 MHz 銣原子鐘同步兩微波源.(4)式表明， 原子感受到的電場(chǎng)強(qiáng)度與信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度成正比， 并且產(chǎn)生 δf 的差頻調(diào)制.

實(shí)驗(yàn)上， 首先利用EIT-AT 光譜對(duì)微波源進(jìn)行校對(duì)， 測(cè)量的EIT-AT 分裂與微波源的輸出功率成正比， 如圖2 中的黑色正方形所示.實(shí)線表示理論計(jì)算的微波電場(chǎng)在銫原子氣室處的電場(chǎng)強(qiáng)度， 計(jì)算公式為

其中， g 為增益系數(shù)， d 為微波喇叭與銫原子蒸氣池中心的距離.由圖2 可知， 在微波場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí)， 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與理論計(jì)算相一致.黑色線提供了電場(chǎng)校準(zhǔn)值.當(dāng)信號(hào)場(chǎng)減小到(1)式不再適用時(shí)， 利用上述的拍頻法測(cè)量弱信號(hào)的強(qiáng)度， 典型的測(cè)量結(jié)果如圖2 中的藍(lán)色圓圈所示， 測(cè)量結(jié)果與(4)式中描述的線性關(guān)系相一致.將測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的微波源輸出功率與黑色的理論計(jì)算相對(duì)應(yīng)， 即可得出測(cè)量的電場(chǎng)值.實(shí)驗(yàn)獲得的最小測(cè)量值為 E0= 1.7 μV/cm.由此可知拍頻法極大地提高了微波測(cè)量的精度， 比傳統(tǒng)的測(cè)量方法提高了3 個(gè)數(shù)量級(jí).

圖2 測(cè)量的微波場(chǎng)強(qiáng)與信號(hào)源輸出功率的依賴關(guān)系， 黑色方點(diǎn)表示EIT-AT 分裂測(cè)量的結(jié)果， 藍(lán)色圓點(diǎn)表示拍頻測(cè)量的結(jié)果.黑色實(shí)線表示由(5)式計(jì)算的電場(chǎng)值與微波輸出功率的關(guān)系， 與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相符.最小測(cè)量電場(chǎng)為E0 =1.7μV/cm， 如圖中紅色陰影圈所示Fig.2.Microwave field measurements as a function of square root of the output power.The black squares show EIT-AT measurements and blue circles for beat method.The black solid line shows the calculation of Eq.(5).The measurable minimum field is E 0 =1.7 μV/cm， as shown with the red shadow circle.

為進(jìn)一步了解拍頻測(cè)量技術(shù)， 本文通過改變觸發(fā)鎖相放大器的參考頻率 fref研究基于Rydberg原子的拍頻方法的隔離特性和頻率分辨率.實(shí)驗(yàn)上設(shè)置鎖相放大器的時(shí)間參數(shù)為1 s， 對(duì)應(yīng)的頻率截點(diǎn)為1 Hz， 選取信號(hào)場(chǎng)與本地場(chǎng)的頻率差 δf =50 kHz， 弱場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng) E1=1.7 μV/cm 作為電場(chǎng)強(qiáng)度的歸一化值.當(dāng)解調(diào)信號(hào)頻率 fref與差頻信號(hào)δf同頻時(shí)， 將鎖相放大器在此時(shí)輸出的電平值作為基準(zhǔn)， 標(biāo)為輸出電平的0 dB.設(shè)置 fref與 δ f 的頻率差分別為 0.1， 0.5， 1， 10 Hz， 測(cè)量不同微波場(chǎng)功率對(duì)應(yīng)的輸出電平信號(hào)， 圖3 所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果.以1 Hz 的頻差(藍(lán)色三角形)的結(jié)果為例進(jìn)行分析，由圖3 可知， 對(duì)于1 Hz 的頻差， 輸出信號(hào)的幅值降到—3 dB 時(shí)， 電場(chǎng)強(qiáng)度比同頻時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度高出60 dB， 即可以實(shí)現(xiàn)60 dB 的信號(hào)隔離.同理，0.5 Hz 的頻差可以實(shí)現(xiàn)40 dB 信號(hào)的隔離.由圖3可知， 拍頻法微波測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)亞赫茲的頻率分辨， 最小的頻率分辨率達(dá)0.1 Hz.

圖3 拍頻的隔離特性和頻率分辨率測(cè)量.設(shè)置時(shí)間常數(shù)為1 s， 分別 f ref 與 δ f 的頻率差為 0.1， 0.5， 1， 10 Hz時(shí)， 測(cè)量鎖相放大器的輸出電平信號(hào).1 Hz 的頻差對(duì)應(yīng)60 dB的隔離， 0.5 Hz 的頻差可以實(shí)現(xiàn)40 dB 信號(hào)的隔離.拍頻微波測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)亞赫茲的頻率分辨， 最小的頻率分辨率達(dá)0.1 Hz.灰色陰影部分表示基底噪聲信號(hào)， 約為—15 dBFig.3.Measurements of the isolation and frequency resolution.The lock-in output levels are obtained with the time constant 1 s and the difference of f ref and δ f are 0.1， 0.5，1， and 10 Hz， respectively.The frequency difference of 1 Hz(0.5 Hz) corresponds to the isolation of 60 dB (40 dB).The beat frequency microwave measurement can realize the frequency resolution of sub-Hz， with the minimum frequency resolution up to 0.1 Hz.The grey area around —15 dB is base noise.

3.2 微波通信

目前， 文獻(xiàn)報(bào)道的基于Rydberg 原子的通信方案是基于共振EIT-AT 光譜， 對(duì)應(yīng)的載波場(chǎng)較強(qiáng)[30].在利用拍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)微弱場(chǎng)測(cè)量的基礎(chǔ)上，本文提出將基帶信號(hào)加載到信號(hào)場(chǎng)上， 從而實(shí)現(xiàn)微弱場(chǎng)條件下的微波通信.通過幅度調(diào)制技術(shù)將基帶信號(hào)加載到信號(hào)場(chǎng)中， Rydberg 原子作為解調(diào)器可以直接將加載的信息提取出來.圖4(a)給出了基于Rydberg 原子拍頻技術(shù)的音頻信號(hào)的傳輸和讀取， 對(duì)應(yīng)的載波場(chǎng)強(qiáng)為160 μV/cm.黑色實(shí)線為傳輸?shù)囊纛l信號(hào)， 紅色虛線為由Rydberg 原子提取的音頻信號(hào)， 很好地實(shí)現(xiàn)了弱場(chǎng)條件下信息的傳輸和讀取.圖4(b)為加載到信號(hào)場(chǎng)中的頻率為1 kHz的調(diào)制信號(hào)， 圖4(c)為信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度為50 μV/cm，信號(hào)微波場(chǎng)失諧量分別為30， 0 和—15 MHz 時(shí)， 讀出的1 kHz 基帶調(diào)制信號(hào).可以看出， 在微弱載波場(chǎng)(50 μV/cm)時(shí)， Rydberg 原子天線仍可實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)讀取.當(dāng)微波場(chǎng)失諧不同時(shí)， 對(duì)應(yīng)提取信號(hào)的相位不同， 由此可以進(jìn)一步利用調(diào)制相位的方法進(jìn)行信息的傳輸.

圖4 (a)基于Rydberg 原子拍頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)的音頻信號(hào)的傳輸與提取.將音頻信號(hào)加載到弱信號(hào)場(chǎng)(160 μV/cm)上， Rydberg 原子實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的直接提取.黑色實(shí)線表示傳輸?shù)囊纛l信號(hào)， 紅色線表示Rydberg 原子直接讀取的音頻信號(hào).(b) 傳輸?shù)恼{(diào)制頻率為1 kHz 的基帶信號(hào).(c) 在信號(hào) 場(chǎng)為50 μV/cm 時(shí)， 微 波 場(chǎng)失諧 Δ RF/2π 分 別 為30， 0，—15 MHz 時(shí)的Rydberg 原子讀出的信號(hào)Fig.4.(a) Demonstration of transfer and readout of the baseband signal based on Rydberg beat method.The audio signal is amplitude modulated into the weak carrier field of 160 μV/cm， Rydberg atoms are used to readout the transferred audio signal.The top line represents the original transferred signal， and the bottom line displays the retrieved signal.(b) A 1 kHz baseband signal is encoded into the weak carrier field (50 μV/cm) with the amplitude modulation method.(c) The retrieved baseband signals based on Rydberg atoms for Δ RF/2π = 30， 0， —15 MHz， respectively.

圖5 傳輸帶寬的測(cè)量.改變信號(hào)微波場(chǎng)失諧， 測(cè)得不同失諧時(shí)的電平信號(hào)， 以電平最低(即 Δ RF/2π=150 MHz)為零點(diǎn)歸一化， 實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧帶寬大于200 MHz.其中本地場(chǎng)強(qiáng)度為 E 0 =3.9 mV/cm， 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度為 E 0 =1.7 mV/cmFig.5.Measurements of bandwidth.The obtained transmission bandwidth is larger than 200 MHz.Lock-in signal is normalized by minimum level ( Δ RF/2π=150 MHz).The Local field strength is E 0 = 3.9 mV/cm and the signal field strength is E 0 = 1.7 mV/cm.

在實(shí)際應(yīng)用中， 信號(hào)的傳輸帶寬是非常重要的參數(shù)， 因此對(duì)拍頻技術(shù)的傳輸帶寬進(jìn)行了測(cè)量.由圖4 可以看出， 當(dāng)頻率失諧增大時(shí)讀出的信號(hào)強(qiáng)度減小， 50 μV/cm 的弱載波場(chǎng)條件下的傳輸帶寬約為50 MHz.為了研究基于拍頻技術(shù)的傳輸帶寬，在較強(qiáng)的信號(hào)場(chǎng)下作了進(jìn)一步的測(cè)量.圖5 所示為δf =50 kHz ， 本地場(chǎng)強(qiáng)度為 E0= 3.9 mV/cm， 信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)度為 E0= 1.7 mV/cm 時(shí)， 改變信號(hào)微波場(chǎng)失諧所提取的拍頻信號(hào)的強(qiáng)度.當(dāng)微波場(chǎng)失諧為150 MHz 時(shí)電平最小， 對(duì)應(yīng)的調(diào)諧帶寬大于200 MHz.

4 結(jié) 論

本文在室溫銫原子中， 利用Rydberg 原子實(shí)現(xiàn)了微弱場(chǎng)的測(cè)量和通信， 最小測(cè)量弱場(chǎng)值為E0=1.7μV/cm， 且頻率分辨率小于1 Hz.并且演示了以拍頻技術(shù)為基礎(chǔ)的弱載波場(chǎng)的通信傳輸， 實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了50 μV/cm 載波場(chǎng)下基帶信號(hào)的傳輸和讀取， 測(cè)量的傳輸帶寬可以達(dá)到200 MHz.基于Rydberg 原子的新型天線正在成為微波量子精密測(cè)量和通信的新手段， 呈現(xiàn)加速發(fā)展的趨勢(shì).本文的研究對(duì)于基于原子的傳感具有重要的意義.