陳志文 佘圳躍 廖開(kāi)宇 黃巍 顏輝 朱詩(shī)亮

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院， 廣東省量子調(diào)控工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510006)

1 引 言

1.1 電磁場(chǎng)的量子精密測(cè)量技術(shù)

Rydberg 原子是指主量子數(shù) n ＞ 10 的高激發(fā)態(tài)原子， Rydberg 原子的電偶極矩相對(duì)低激發(fā)態(tài)大2—3 個(gè)數(shù)量級(jí)( ∝ n2)[1]， 因此對(duì)微波和太赫茲波的電場(chǎng)具有極高的靈敏度， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱電場(chǎng)信號(hào)的探測(cè).典型的銫原子 6 S1/2→6P3/2躍遷， 對(duì)應(yīng)躍遷頻率為351.73 THz， 徑向電偶極矩只有5.477 a0e (其中 a0為玻爾半徑， e 為基本電荷)， 但是銣和銫原子在對(duì)應(yīng)躍遷頻率0.3—1.5 THz 范圍內(nèi)都具有較大的電偶極矩， 如表1 所列.Rydberg原子與電磁波電場(chǎng)的較強(qiáng)耦合， 會(huì)使得Rydberg能級(jí)參與的電磁誘導(dǎo)透明(electromagnetically induced transparency， EIT)效應(yīng)的透明峰產(chǎn)生Autler-Townes (AT)分裂， 分裂后的雙峰間距與耦合的拉比頻率成正比， 由于拉比頻率反映了電場(chǎng)強(qiáng)度的大小， 從而將強(qiáng)度測(cè)量利用量子干涉效應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻率測(cè)量， 實(shí)現(xiàn)可溯源高靈敏的電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量.

表1 銣和銫的Rydberg 原子在THz 頻段的徑向電偶極矩Table 1.Radial part of electric dipole element between Rydberg states in the THz band for Rubidium and caesium.

圖1 (a) Rydberg 原子量子干涉法測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度能級(jí)示意圖， 以及微波場(chǎng)作用前后探測(cè)光透射峰(中下); (b) 實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置圖[2]Fig.1.(a) Energy level diagram for the four-level system.The top part of the inset shows an example EIT feature without a microwave electric field.The bottom part of the inset shows an example EIT-AT with a microwave electric field.(b) Experimental set-up used for the experiments[2].

2012 年俄克拉荷馬州立大學(xué)的Shaffer 小組[2]通過(guò)微波場(chǎng)耦合兩個(gè)Rydberg 能級(jí)， 利用Rydberg原子的EIT 效應(yīng)和微波作用下的AT 分裂， 實(shí)現(xiàn)對(duì)微波電場(chǎng)強(qiáng)度的精密測(cè)量.所能探測(cè)的最小場(chǎng)強(qiáng)約為8 μ V/cm ， 測(cè)量靈敏度達(dá)30 μ V·cm-1·Hz-1/2.相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗?jí)圖與裝置圖如圖1 所示.探測(cè)光與耦合光對(duì)向傳播， 在銣原子蒸氣室中與原子相互作用.沒(méi)有微波場(chǎng)作用時(shí)， 觀測(cè)到標(biāo)準(zhǔn)的級(jí)聯(lián)三能級(jí)EIT 透射峰.有微波場(chǎng)作用時(shí)， 觀測(cè)到EIT 透射峰劈裂為兩個(gè)峰， 劈裂的兩個(gè)峰間距為 Δ f ， 在一定條件下與微波耦合Rydberg 能級(jí)的拉比頻率ΩMW滿足以下關(guān)系:

考慮掃描探測(cè)光失諧時(shí)引入多普勒修正因子，微波電場(chǎng)強(qiáng)度大小 | E| 可表示為

其中， ? 是普朗克常數(shù)， μ 是Rydberg 能級(jí)電偶極矩， ΩMW是微波 拉 比頻率， λp和 λc分別是 探 測(cè)光和耦合光波長(zhǎng)， Δ f 是兩個(gè)透射峰間距.從(1)式可知， 該方法把電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量轉(zhuǎn)化為頻率測(cè)量.在所有的物理量中， 頻率的測(cè)量精確度是最高的[3].因此， 基于Rydberg 量子干涉法測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度， 能夠有效溯源到國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)SI.2007 年， 英國(guó)杜倫大學(xué)Mohapatra 等[4]利用EIT 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高激發(fā)Rydberg 態(tài)的相干光探測(cè).2013 年， Shaffer 小組[5]使用銣原子泡測(cè)量矢量電場(chǎng)， 微波極化方向分辨率達(dá)到0.5°.2014 年， Shaffer 小組[6]利用Rydberg原子實(shí)現(xiàn)微波電場(chǎng)亞波長(zhǎng)成像， 同年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) Holloway 小組[7]利用寬帶Rydberg 原子電場(chǎng)探頭實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)測(cè)量及亞波長(zhǎng)成像， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毫米波探測(cè)[8]， 以及利用Rydberg原子的EIT 效應(yīng)和AT 分裂進(jìn)行亞波長(zhǎng)分辨率的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)繪， 對(duì)17.04 和104.77 GHz 的射頻電場(chǎng)成像， 空間分辨率達(dá)到100 μm[9].2015 年， Shaffer 小組[10]研究原子泡幾何形狀的變化對(duì)測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)大小的影響.2016 年他們使用菱形原子泡測(cè)量射頻場(chǎng)時(shí)發(fā)現(xiàn)氣室的折射率變化會(huì)導(dǎo)致探測(cè)光的偏轉(zhuǎn)[11].2017 年他們又使用頻率調(diào)制技術(shù)在5 GHz 時(shí)獲得了 3 μV·cm-1·Hz-1/2噪聲等效功率(NEP)， 提高了測(cè)量靈敏度[12]， 以及利用Mach-Zehnder 干涉儀作為外差探頭實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)精密測(cè)量， 測(cè)量靈敏度可以達(dá)到 5 μV·cm-1·Hz-1/2[13].2019 年， Holloway 小組[14]將兩個(gè)射頻電場(chǎng)作用于原子泡， 使用外差檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)弱電場(chǎng)的測(cè)量， 頻率分辨率優(yōu)于1 Hz.同年， 中國(guó)計(jì)量研究院宋振飛等[15]使用連續(xù)可調(diào)諧射頻載波信號(hào)實(shí)現(xiàn)了基于Rydberg 原子的數(shù)字通信， 證實(shí)原子天線的載波頻率可以連續(xù)調(diào)諧至200 MHz.2020 年， 山西大學(xué)賈鎖堂研究組[16]采用量子超外差的方法將微波場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的靈敏度提高到了55 n V·cm-1·Hz-1/2[16].同年， 華南師范大學(xué)廖開(kāi)宇等[17]利用冷Rydberg 原子電磁誘導(dǎo)吸收實(shí)現(xiàn)微波電場(chǎng)測(cè)量等.

1.2 太赫茲技術(shù)及應(yīng)用前景

太赫茲(THz)波一般是指頻率在0.1—10 THz范圍內(nèi)的電磁波， 頻率介于微波和紅外波段之間，兼有微波和光波的特性， 具有低量子能量、大帶寬、良好的穿透性等特點(diǎn).如圖2 所示， 太赫茲輻射位于微波與紅外光之間的頻率間隙中， 即所謂的“太赫茲空隙(THz gap)”.隨著電磁空間競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化， 電磁頻譜已成為一種極重要的戰(zhàn)略資源，而太赫茲波是電磁空間惟一亟待開(kāi)發(fā)利用的頻譜資源， 因此世界各國(guó)高度重視.最近， 太赫茲技術(shù)已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了發(fā)展和應(yīng)用[18].例如， 利用太赫茲對(duì)非金屬和非極性物質(zhì)的高透過(guò)性， 可用于安檢、遙感、火場(chǎng)救護(hù)、戰(zhàn)場(chǎng)尋敵等; 利用太赫茲波能量低、不電離特性， 可用于醫(yī)學(xué)影像; 大分子的振轉(zhuǎn)躍遷頻率處于太赫茲范圍內(nèi)， 利用其光譜特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥、毒品等物質(zhì)的識(shí)別分類; 太赫茲頻段的通信載波能夠攜帶更多的信息， 其在空間窄束傳播的性質(zhì)能夠有效地防止干擾和竊聽(tīng)， 具有很高的安全性， 是下一代無(wú)線通信和衛(wèi)星通信的指定頻段.

隨著量子物理的廣泛應(yīng)用與原子光譜技術(shù)的成熟， 國(guó)際上有研究組利用Rydberg 原子對(duì)電磁場(chǎng)具有的極高靈敏度， 采用量子干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量.與傳統(tǒng)技術(shù)相比， 基于Rydberg原子的太赫茲技術(shù)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、自校準(zhǔn)、可溯源、空間分辨率高以及可實(shí)時(shí)成像等優(yōu)勢(shì)， 非常有希望突破已有太赫茲技術(shù)在太赫茲探測(cè)計(jì)量、太赫茲通信、太赫茲高速成像等應(yīng)用方向面臨的瓶頸， 發(fā)展出新一代的太赫茲量子器件和新型太赫茲設(shè)備.

2 基于Rydberg 原子的太赫茲測(cè)量技術(shù)

2.1 太赫茲場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量

近年發(fā)展起來(lái)的基于Rydberg 原子的量子干涉效應(yīng)測(cè)量電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度的技術(shù)已經(jīng)取得了一系列重要成果[19-21].如上文提到的2012 年Shaffer小組[2]利用原子泡的量子干涉實(shí)現(xiàn)對(duì)微波場(chǎng)強(qiáng)精密測(cè)量.該技術(shù)在太赫茲頻域同樣適用， 理論上能覆蓋0.1—10 THz 全頻域， 測(cè)量靈敏度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的太赫茲探測(cè)技術(shù).杜倫大學(xué)Weatheril 小組使用三光子Rydberg 態(tài)EIT 測(cè)量了頻率為0.634 THz的太赫茲場(chǎng)強(qiáng)[22]， 能級(jí)示意圖如圖3(a)所示.掃描Rydberg 激光的失諧， 記錄探測(cè)光的透射信號(hào).當(dāng)探測(cè)光和耦合光失諧均為零時(shí)， 四能級(jí)哈密頓量為

圖2 電磁波光譜(太赫茲區(qū)域介于微波與紅外之間)Fig.2.Electromagnetic spectrum (terahertz region between microwave and infrared).

其 中 Δ1ph=v·kp， Δ2ph=v·(kp+kc) ，Δ3ph=v·(kp+kc+kR)， v 是原子速度， 探測(cè)光、耦合光和Rydberg 光波數(shù)分別為 kp=2π/ (852 nm)， kc=2π /(1470 nm)， kR=2π/ (799 nm).對(duì)應(yīng)的拉比頻率分別為 Ωp， Ωc和 ΩR， Rydberg 光失諧為 ΔR.為了進(jìn)一步研究EIT-AT 分裂， 引入0.634 THz 的太赫茲場(chǎng)耦合 2 1P3/2→21S1/2， 使得EIT 窗口劈裂為兩個(gè)峰.當(dāng) Ωp=Ωc=2π×5 MHz ， ΩR=2π×8.4 MHz ，太赫茲拉比頻率 ΩT=2π×[0， 10， 30， 50]MHz 時(shí)，EIT-AT 分裂如圖3(b)所示.

圖3 (a) Cs Rydberg 態(tài)三步激發(fā)能級(jí)圖; (b) 當(dāng)Ωp =Ωc =2π×5 MHz， Ω R =2π×8.4 MHz，ΩT =2π×[0， 10， 30，50]MHz 時(shí)， 利用5 能級(jí)光學(xué)布洛赫模型擬合Rydberg EIT-AT 分裂(彩實(shí)線)及對(duì)應(yīng)的洛倫茲線性擬合(陰影線)[22]Fig.3.(a) Three step ladder excitation scheme (Rydberg states in caesium); (b) when Ω p =Ωc =2π×5 MHz，ΩR =2π×8.4 MHz， Ω T =2π×[0， 10， 30， 50] MHz，Autler-Townes splitting simulation for a 5-level optical Bloch model (coloured lines) with Lorenzian features(shaded lines)[22].

圖4 基于Rydberg EIT 的THz 場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量 (a) 當(dāng)ΩT =0時(shí)， 使用單洛倫茲線性擬合EIT 透射峰; (b) 當(dāng)ΩT/2π=(5.2±1.4)MHz 時(shí)， 使用單洛倫茲線性擬合EIT-AT 分裂峰;(c) 當(dāng) Ω T/2π=(5.2±1.4) MHz 時(shí)， 使用雙 洛倫茲 線性擬合EIT-AT 分裂峰; 下方數(shù)據(jù)為各自對(duì)應(yīng)的擬合殘差[22]Fig.4.THz electric field amplitude measurement: (a) Probe transmission line shape for Ω T =0 and best fit line(dashed) is a single Lorentzian; (b) probe transmission line shape for Ω T/2π=(5.2±1.4) MHz and best fit line(dashed) is a single Lorentzian; (c) probe transmission line shape for Ω T/2π=(5.2±1.4) MHz and a summed pair of Lorentzian peaks.Below datas are residuals for different models[22].

打開(kāi)太赫茲場(chǎng)之前， 實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的三光子EIT譜線如圖4(a)所示.使用 F WHM=(8.4±1.6) MHz的洛倫茲線形進(jìn)行擬合， 擬合誤差很小， 說(shuō)明該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好[23].打開(kāi)太赫茲場(chǎng)后， 以FWHM 作為自由參數(shù)的單個(gè)洛倫茲線型進(jìn)行擬合(圖4(b))， 雖然透射峰線型變化不大， 但是從擬合誤差可以看出， 這時(shí)理論模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較大偏差.隨后使用雙洛倫茲線型擬合數(shù)據(jù)(圖4(c)).限制每個(gè)洛倫茲峰的寬度以匹配EIT 劈裂峰， 并將峰的高度和雙峰的間距設(shè)置為自由參數(shù)， 擬合誤差結(jié)果表明， 該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匹配得較好.提取EIT 峰劈裂對(duì)應(yīng)的太赫茲場(chǎng)拉比頻率ΩT/2π=(5.2±1.4)MHz， 可以計(jì)算得到太赫茲場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)為(25±5)mV·cm-1.

特定的Rydberg 態(tài)只能耦合到少數(shù)幾個(gè)接近共振的太赫茲頻率， 但可以選擇不同的Rydberg態(tài)來(lái)耦合不同的頻率， 實(shí)現(xiàn)很寬的太赫茲頻域的探測(cè).如圖5(c)所示[24]， 從低頻到3 THz， Rydberg原子都具有較大的電偶極矩， 可作為太赫茲頻域場(chǎng)強(qiáng)和功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的理想候選者[25].

2.2 太赫茲近場(chǎng)高速成像

將難以探測(cè)的太赫茲信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他容易探測(cè)的信號(hào)， 例如電信號(hào)等， 是目前實(shí)現(xiàn)太赫茲探測(cè)的基本技術(shù)路線， 利用Rydberg 原子同樣可以實(shí)現(xiàn)這樣的太赫茲轉(zhuǎn)化探測(cè)過(guò)程， 并能夠?qū)崿F(xiàn)高空間分辨率的太赫茲成像.早期用具有空間分布的太赫茲場(chǎng)電離Rydberg 原子， 將生成的離子聚焦到空間分辨的微通道板上實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲場(chǎng)強(qiáng)的空間可分辨探測(cè)和成像[26，27].但是這一技術(shù)對(duì)Rydberg原子是破壞性的， 只能進(jìn)行單次成像， 離子成像的分辨率也不高.

2016 年， 杜倫大學(xué)Weatherill 小組[28]采用太赫茲抽運(yùn)Rydberg 原子， 通過(guò)對(duì)自發(fā)輻射產(chǎn)生的可見(jiàn)光波段熒光進(jìn)行成像的方法， 實(shí)現(xiàn)了太赫茲駐波場(chǎng)強(qiáng)空間分布的近場(chǎng)實(shí)時(shí)成像.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5(a)所示， 紅外激光束與THz 波束同軸對(duì)準(zhǔn)， 穿過(guò)2 mm 長(zhǎng)的石英銫蒸氣泡.在太赫茲場(chǎng)和激光束的空間交疊位置處原子被激發(fā)到 2 1S1/2的Rydberg 態(tài)， 并在可見(jiàn)光波段發(fā)出熒光， 如圖5(d)所示.激光束和太赫茲波水平穿過(guò)成像區(qū)， 部分太赫茲波被反射從而產(chǎn)生駐波干涉結(jié)構(gòu)， 圖5(b)為形成的干涉圖樣.圖像獲取時(shí)間由熒光強(qiáng)度、相機(jī)靈敏度和信噪比決定.使用商用CCD 相機(jī)， 錄制了25 幀的視頻(40 ms/幀).在圖5(e)中顯示了前三幀.由于在錄制視頻時(shí)， THz 源與攝像機(jī)的快門同步門控， 因此幀數(shù)會(huì)交替顯示該駐波場(chǎng)存在或消失.這種成像技術(shù)無(wú)需多次重復(fù)采集數(shù)據(jù)或者掃描探測(cè)器位置， 因此成像是實(shí)時(shí)的.成像的帶寬極限由Rydberg 能級(jí)壽命決定， 一般約為微秒量級(jí).

圖5 基于Rydberg 原子太赫茲近場(chǎng)成像 (a) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置; (b) 太赫茲熒光成像; (c) Rydberg 原子在THz 波段下共振躍遷頻率對(duì)應(yīng)的躍遷偶極矩; (d) 銫原子能級(jí)激發(fā)圖; (e) 錄制的視頻[28]Fig.5.Real-time near-field THz imaging based on Rydberg atom: (a) Experimental layout; (b) spatially resolved THz intensity;(c) resonant transitions between Rydberg states in the THz band; (d) caesium atomic energy levels and laser excitation scheme;(e) real time video[28].

使用Autler-Townes 校準(zhǔn)技術(shù)， 對(duì)一小部分像素求平均值以找到歸一化的相機(jī)信號(hào)， 其中紅、黃、藍(lán)代表相機(jī)不同通道采集的數(shù)據(jù).在太赫茲源處使用衰減器來(lái)控制太赫茲強(qiáng)度.當(dāng)太赫茲場(chǎng)的強(qiáng)度為零時(shí)， 非共振激光激發(fā)到 2 1P3/2態(tài)會(huì)產(chǎn)生弱的背景熒光， 在圖像中扣除背景熒光.一旦測(cè)量得到靈敏度， 記錄太赫茲場(chǎng)圖像時(shí)就無(wú)需再次重復(fù)校準(zhǔn)和做背景熒光測(cè)量.CCD 相機(jī)獲得的圖像像素亮度與THz 電場(chǎng)強(qiáng)度成正比， 如圖6(b)所示.基于Rydberg 原子太赫茲近場(chǎng)成像不僅擁有在二維平面中快速采集圖像的潛力， 而且與傳統(tǒng)掃描探針測(cè)繪太赫茲場(chǎng)強(qiáng)空間分布時(shí)花費(fèi)數(shù)十小時(shí)獲取圖像的技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)[29-31].

2020 年， Weatherill 小組[32]在太赫茲成像領(lǐng)域進(jìn)一步推進(jìn)了相關(guān)工作， 用Rydberg 原子實(shí)現(xiàn)了THz 場(chǎng)到光場(chǎng)的非相干轉(zhuǎn)換， 從而可使用商用相機(jī)通過(guò)收集Rydberg 原子的自發(fā)輻射熒光信號(hào)實(shí)現(xiàn)超高速圖像采集.三步激發(fā)將原子制備到14P3/2態(tài)， 過(guò)程如圖7(a)所示.共振THz 場(chǎng)將原子 從 1 4P3/2態(tài)抽運(yùn)到鄰近的 1 3D5/2態(tài).1 3D5/2態(tài)Rydberg 原子自發(fā)輻射出綠色熒光(535 nm)下落回中間態(tài) 6 P3/2， 自發(fā)輻射出的熒光可通過(guò)光學(xué)傳感器進(jìn)行檢測(cè)并獲取圖像信息.在0.55 THz 場(chǎng)的作用下， 利用 1 cm2大小， 具有 4 0 cm×40 cm 像素陣列的CCD， 可獲取0.55 THz 場(chǎng)的視頻信號(hào).其空間分辨率接近衍射極限， 最小探測(cè)功率為(190±30)fW·s-1/2， 每秒可獲取3000 幀.

成像系統(tǒng)設(shè)置如圖7(c)所示.銫蒸氣石英池，使用同軸紅外激光束將原子制備到Rydberg態(tài)， 光束經(jīng)過(guò)扁平整形， 在xy 平面上形成100 μ m 厚的激發(fā)原子面.低功率連續(xù)THz 波(在0.55 THz時(shí)功率達(dá)17 μ W )沿z 方向傳播， 垂直于銫泡平面.在z 軸方向， 非球面透鏡組成的1∶1 成像系統(tǒng)將THz 圖像投影到激發(fā)原子面上.在激光與太赫茲場(chǎng)重疊區(qū)域內(nèi)， 原子發(fā)出的熒光被CCD 相機(jī)收集.同時(shí)使用窄帶濾光片進(jìn)行濾波， 以最大程度減少到達(dá)相機(jī)的背景熒光.如圖7(d)中的示意圖所示， 通過(guò)在成像目標(biāo)平面上放置一個(gè)金屬掩模改變太赫茲場(chǎng)強(qiáng)的空間分布圖像， 利用Rydberg 原子自發(fā)輻射的綠色熒光來(lái)獲取高分辨率的“ Ψ ”形圖像.

為了驗(yàn)證成像系統(tǒng)的高速性能， 演示了在高幀速率下的THz 動(dòng)態(tài)成像.圖8(a)為光學(xué)斬波片旋轉(zhuǎn)速率為700 r/min 時(shí)的運(yùn)動(dòng)， 成像幀數(shù)在3 kHz.圖8(b)為幀數(shù)在500 Hz 時(shí)的水滴下落情況.與其他太赫茲成像系統(tǒng)相比， 它的速度和靈敏度(最小

探測(cè)功率可以達(dá)到 ( 0.12±0.02) m W·m-2·s-1/2)都有了顯著提高， 通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的調(diào)整有希望進(jìn)一步提高成像性能.例如， 通過(guò)減小銫泡腔室的厚度( ＜ 200 μm)并增加抗反射涂層， 可以減少太赫茲場(chǎng)反射引起的干涉效應(yīng)， 從而提高圖像質(zhì)量; 通過(guò)使用更先進(jìn)的太赫茲透鏡系統(tǒng)來(lái)提高圖像分辨率;通過(guò)使用更大的銫泡腔室來(lái)擴(kuò)展THz 傳感器的面積， 以形成更大的原子激發(fā)面， 提升成像區(qū)域.這種基于Rydberg 原子太赫茲成像技術(shù)的多功能性和高靈敏度， 在生物成像和生產(chǎn)線質(zhì)量控制等領(lǐng)域擁有重大的應(yīng)用價(jià)值[33-35].

圖6 太赫茲場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn) (a) 利用EIT 效應(yīng)測(cè)量THz 場(chǎng)強(qiáng); (b) 相機(jī)校準(zhǔn)， 相機(jī)獲得的圖像像素亮度與THz 電場(chǎng)大小成正比[28]Fig.6.(a) THz electric field measurement using electromagnetically induced transparency (EIT); (b) camera calibration.The camera signal as a function of THz intensity[28].

圖7 基于Rydberg 原子太赫茲超高速成像 (a) 銫原子能級(jí)示意圖; (b) THz 場(chǎng)開(kāi)啟(綠色)和關(guān)閉(橙色)時(shí)的熒光光譜信號(hào);(c) 實(shí)驗(yàn)裝置圖; (d) 放置在成像目標(biāo)位置處的金屬掩模[32]Fig.7.THz imaging at ultrahigh speed based on Rydberg atom: (a) Internal energy structure of caesium; (b) spectral characteristics of the fluorescence from the vapor， both with and without the THz field (green and orange lines， respectively); (c) diagram of the imaging setup described in this work; (d) metal mask (center) placed in the object plane of the system[32].

圖8 超高速太赫茲成像視頻 (a) 700 r/min 轉(zhuǎn)速下的光學(xué)斬波片運(yùn)動(dòng); (b) 捕捉到自由下落的水[32]Fig.8.Ultrahigh-speed THz video: (a) THz video of an optical chopper wheel rotating at 700 r/min; (b) capture the dynamics of a water droplet in free fall[32].

2.3 基于Rydberg 原子的太赫茲通信

太赫茲通信技術(shù)是當(dāng)今世界各科技強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)先搶占的科學(xué)技術(shù)制高點(diǎn).太赫茲通信與微波通信相比， 具有帶寬大、信息傳輸容量高等優(yōu)勢(shì).與激光通信相比， 太赫茲通信對(duì)平臺(tái)穩(wěn)定度和跟瞄要求較低.國(guó)際聯(lián)盟指定的下一代無(wú)線通信和衛(wèi)星通信頻段中就包括了太赫茲頻段.太赫茲通信技術(shù)雖然具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景， 但是現(xiàn)有技術(shù)仍存在著若干問(wèn)題.基于Rydberg 原子的太赫茲數(shù)字通信， 有望實(shí)現(xiàn)多路轉(zhuǎn)換、多路復(fù)用、多路并行的快速通信， 可以避免傳統(tǒng)天線中的熱噪聲[36]， 大幅度提高太赫茲通信距離.2018 年， 美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室Meyer等[37]演示了幅度調(diào)制微波通信， 該技術(shù)可以推廣到太赫茲頻段的數(shù)字通信.

Rydberg 原子數(shù)字通信的實(shí)驗(yàn)裝置和能級(jí)系統(tǒng)示意圖如圖9(a)和圖9(b)所示.在發(fā)送端， 將通信的基帶數(shù)字信號(hào)混合到與Rydberg 原子共振的微波中.原子蒸氣室作為載波信號(hào)接收端， 吸收混頻的微波信號(hào)發(fā)生EIT-AT 分裂， 將接收到的頻帶信號(hào)轉(zhuǎn)化為探測(cè)光的振幅相位 φμ.外部利用外差探頭， 經(jīng)過(guò)鎖相放大器進(jìn)行相位解調(diào):φμ=arctan(VQ/VI)， 把相位信息轉(zhuǎn)化為正交相電壓信號(hào).圖9(e)所示為典型的電場(chǎng)作用下的EIT-AT 分裂;圖9(f)給出了在解調(diào)后的同向電壓信號(hào) VI與5 種不同編碼相位的實(shí)例.在此基礎(chǔ)之上， 他們通過(guò)改變調(diào)制相位， 演示了八相移鍵控(8PSK)通信方案.圖9(g)和圖9(h)給出了信號(hào)接收端接收到的相位信號(hào)和相應(yīng)的相位軌跡.

Rydberg 原子天線也可以用作太赫茲通信， 本文提出了一個(gè)基于四能級(jí)銫原子系統(tǒng)的太赫茲通信方案.如圖10(a)所示， 6 S1/2( F =4 )的 C s 原子為 | 1〉 態(tài)， 6 P3/2( F′=5) 為 | 2〉 態(tài)， 2 5S1/2與 2 5P3/2為Rydberg 的 |3〉 態(tài)和 |4〉 態(tài).探測(cè)光波長(zhǎng)為852 nm，耦合 | 1〉?|2〉 態(tài)躍遷， 對(duì)應(yīng)的拉比頻率為 Ωp.耦合光波長(zhǎng)為515 nm， 對(duì)應(yīng)的拉比頻率為 Ωc， 耦合|2〉?|3〉態(tài)躍遷.選取338.75 GHz 大小的THz 場(chǎng)用于耦合兩個(gè)Rydberg 態(tài) | 3〉?|4〉 ， 對(duì)應(yīng)的躍遷拉比頻率為 ΩT.

四能級(jí)哈密頓量 H4-level表述如下:

圖9 基于Rydberg 原子天線的數(shù)字通信 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置圖; (b) 能級(jí)示意圖; (c) 使用光電探測(cè)器測(cè)量探測(cè)光; (d) 使用外差探頭測(cè)量探測(cè)光; (e) Rydberg EIT (藍(lán)色)和AT 分裂(綠色); (f) 5 種不同編碼實(shí)例; (g) 接收到的8PSK 相位信息; (h) 8PSK 相位信息對(duì)應(yīng)的相位軌跡[37]Fig.9.Digital communication based on Rydberg atom: (a) Experimental set-up used for the experiments; (b) energy level diagram for the a ladder-EIT system used for the experiments; (c) probe intensity modulation measured with a fast photodetector; (d) probe intensity modulation measured with an optical heterodyne; (e) Rydberg EIT (blue) and AT splitting (green) obtained by measuring probe transmission; (f) example demodulated transmission signals; (g) 8PSK sent and received phases; (h) phase constellation of the received phase in panel (g)[37].

其中拉比頻率 Ωp=μ12Ep/? ， Ωc=μ23Ec/? ，ΩT=μ34ET/? 以及對(duì)應(yīng)的失諧 Δp=ωp-ω12，Δc=ωcω23， ΔT=ωT-ω34.探測(cè)光為弱場(chǎng)， 當(dāng)Ωc=2π×5.72 MHz， 太赫茲拉比頻率分別為ΩT=2π×[0， 1，2.5， 5]MHz 時(shí)， EIT-AT 劈裂的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖10(b)所示.對(duì)太赫茲載波進(jìn)行幅度調(diào)制， 所獲得的EIT 信號(hào)也會(huì)帶有調(diào)制信息.由EIT信號(hào)的幅度變化可得到幅度調(diào)制的信息.通過(guò)鎖相放大器調(diào)制解調(diào)， 可得到相位信息.由此可實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信中的移相鍵控、正交振幅調(diào)制等常用編碼方法的信息接收和讀取.

2.4 華南師范大學(xué)Rydberg 太赫茲測(cè)量進(jìn)展

Rydberg 太赫茲實(shí)驗(yàn)裝置如圖11(a)所示， 探測(cè)光(耦合光)光斑束腰半徑為120 μm (70 μm)，功率為82.12 μW (12.24 mW).探測(cè)光和耦合光在y 方向共軸相向傳播， 太赫茲源沿x 方向傳播，作用于銫原子泡.實(shí)驗(yàn)所用的能級(jí)圖如圖10(a)所示.實(shí)驗(yàn)中利用飽和吸收穩(wěn)頻鎖定探測(cè)光的激光頻率， 以滿足 6 S1/2( F =4)→6P3/2( F′=5) 能級(jí)躍遷， 耦合光頻率在 6 P3/2( F′=5)→25S1/2能級(jí)躍遷附近掃描.圖11 (b)中的黑色實(shí)線為探測(cè)到的EIT 信號(hào).調(diào)節(jié)太赫茲頻率至338.75 GHz， 耦合Rydberg 能級(jí)為 2 5S1/2→25P3/2.當(dāng)太赫茲場(chǎng)作用時(shí)， 原Rydberg 三能級(jí)系統(tǒng)的EIT 透明窗口發(fā)生AT 分裂， 且隨著信號(hào)源功率的增大， AT 分裂間距增大， 如圖11(b)中黃、粉、綠色實(shí)線所示.

圖10 (a) Rydberg 四能級(jí)系統(tǒng); (b) 當(dāng)電磁場(chǎng)拉比頻率為 Ω T =2π×[0， 1， 2.5， 5] MHz 時(shí)， 分別對(duì)應(yīng)的EIT-AT 分裂模擬(黑色、紅色、藍(lán)色、綠色)Fig.10.(a) Rydberg four-level system; (b) Autler-Townes splitting simulation for Ω T =2π×[0， 1， 2.5， 5] MHz (black， red， blue and green solid line， respectively).

圖11 (a) Rydberg 太赫茲實(shí)驗(yàn)裝置示意圖; (b) 實(shí)驗(yàn)中測(cè)到的不同太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度下的EIT 信號(hào)(黑色實(shí)線， 太赫茲場(chǎng)關(guān)閉;黃、粉、綠色實(shí)線， 增大信號(hào)源功率分別對(duì)應(yīng)的AT 分裂 Δ f = 6.29， 12.44， 34.57 MHz)Fig.11.(a) Schematic diagram of Rydberg terahertz experimental device; (b) transmission signal of probe laser (black solid line，without THz; yellow， pink and green solid line， with THz for Δ f = 6.29， 12.44， 34.57 MHz).

3 總結(jié)和展望

Rydberg 原子在微波和太赫茲頻段具有極大的電偶極矩， 利用量子干涉效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)該頻段電磁波場(chǎng)強(qiáng)的高靈敏探測(cè)， 理論上靈敏度可達(dá)到遠(yuǎn)高于現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)的水平.因此在微波尤其是太赫茲頻域， 基于Rydberg 原子量子效應(yīng)的電磁場(chǎng)探測(cè)及精密測(cè)量技術(shù)在太赫茲的場(chǎng)強(qiáng)和功率計(jì)量、太赫茲通信和太赫茲成像等方面有著巨大的應(yīng)用前景.太赫茲技術(shù)被譽(yù)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一， 在安檢、質(zhì)檢、火場(chǎng)救援、醫(yī)學(xué)成像、無(wú)線通信和衛(wèi)星通信等方面有著廣闊的應(yīng)用前景， 是美歐日等科技強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)奪的重點(diǎn)領(lǐng)域.太赫茲技術(shù)需要綜合多個(gè)學(xué)科， 發(fā)展跨領(lǐng)域的技術(shù)， 現(xiàn)有的太赫茲技術(shù)仍存在著難以突破的瓶頸.隨著量子物理的廣泛應(yīng)用與原子光譜技術(shù)的成熟， 國(guó)際上有研究組利用Rydberg 原子對(duì)電磁場(chǎng)具有的極高靈敏度， 采用量子干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量.與傳統(tǒng)技術(shù)相比， 基于Rydberg 原子的太赫茲技術(shù)具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、自校準(zhǔn)、可溯源、空間分辨率高、可實(shí)時(shí)成像等優(yōu)勢(shì)， 非常有希望突破已有太赫茲技術(shù)在太赫茲探測(cè)和計(jì)量、太赫茲通信、太赫茲高速成像等應(yīng)用方向面臨的瓶頸， 發(fā)展出新一代的太赫茲量子器件和新型太赫茲設(shè)備.