游書航,蔡明皓,張浩安,劉紅平

(中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)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(xiàn)代社會無線通信、科學(xué)研究、軍事國防等領(lǐng)域極為重要的媒介和工具。微波探測技術(shù)是現(xiàn)代無線通信應(yīng)用的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一,尤其是在國防領(lǐng)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(jìn)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(shù)是面向未來戰(zhàn)場電磁感知的重要研究工作之一。而傳統(tǒng)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(xiàn)代生活生產(chǎn)的基本需求,但是仍存在校準(zhǔn)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(yīng)的里德堡原子微波探測技術(shù)完全可以避開這些缺陷,近年來受到國內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注[2-4]。

里德堡原子(Rydberg atoms)是處于主量子數(shù)較大的激發(fā)態(tài)原子,具有大偶極矩、大原子半徑及長壽命等特點(diǎn)[5-6],因此對外場極為敏感,是當(dāng)今原子物理學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)之一,也是未來發(fā)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(jìn)行微波電場的精密測量最早是基于電磁誘導(dǎo)透明(electromagnetically induced transparen-cy, EIT)和AT劈裂(Autler-Townes splitting)效應(yīng)對微波電場功率的測量[4,7],這種測量方式準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)且具有自校準(zhǔn)特性[8],但是可測量范圍比較局限。后來人們在此基礎(chǔ)上發(fā)展出調(diào)制[9](modulation)和超外差[10](superheterody-ne)等方法,并且逐步實(shí)現(xiàn)了基于里德堡原子對微波電場的強(qiáng)度[11]、相位[10]、偏振[12]及入射角[13]等參數(shù)的精密測量,然后進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了微波通信[14-15]、亞波長成像[16-17]和微波穩(wěn)頻[18]等實(shí)用技術(shù)。

目前主流的里德堡原子激發(fā)方法是兩步激發(fā)方案——即一個紅外光加一個短波長的藍(lán)光——例如激發(fā)銣原子的780 nm和480 nm方案[19],激發(fā)銫原子的852 nm和509 nm方案[11],這種激發(fā)路徑光結(jié)構(gòu)較為簡單、激發(fā)效率高且較為成熟。但是,對于目前主流的量產(chǎn)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(wěn)定,于是提出了一種全新的激發(fā)方案——全紅外光三步激發(fā)方案[20-21]。該方案用2個紅外光代替短波長藍(lán)光,通過三步躍遷將原子激發(fā)到里德堡態(tài),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(fā)到里德堡態(tài),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(wěn)定、更容易掌控,基本可以做到開機(jī)即用。因此,利用全紅外光激發(fā)里德堡原子進(jìn)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(fā)里德堡原子光學(xué)過程入手,然后基于該方案對微波電場的大小進(jìn)行初步探測,并與雙光激發(fā)方案的結(jié)果進(jìn)行比較,從而證明全紅外光激發(fā)方案的可行性與極大潛力。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本工作是基于激發(fā)Rb85原子至里德堡態(tài)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(tài)5S1/2激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)5P3/2,776 nm激光再將原子從5P3/2泵浦到中間態(tài)5D5/2,隨后由1 260 nm 激光將原子激發(fā)到里德堡態(tài)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(biāo),通過超外差機(jī)制實(shí)現(xiàn)對該目標(biāo)場的超高精度探測。

圖1 全紅外光激發(fā)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(fā)里德堡Rb85原子實(shí)驗(yàn)裝置平臺示意圖。本工作中的全紅外激光均由外腔式半導(dǎo)體激光器產(chǎn)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(shù)[22]進(jìn)行頻率穩(wěn)定——部分激光經(jīng)過調(diào)制通過光纖(fiber)引入FP頻率標(biāo)準(zhǔn)腔(Fabry-Perot cavity,FPC)后產(chǎn)生誤差信號,再將誤差信號送入激光器控制臺從而實(shí)現(xiàn)激光穩(wěn)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(biāo)場為31.887 GHz微波場,由微波信號發(fā)生器產(chǎn)生,經(jīng)過波導(dǎo)線傳輸至方形微波喇叭天線發(fā)射至Rb氣室所處的自由空間區(qū)域,最終與里德堡原子發(fā)生耦合并被探測。

圖2 全紅外光激發(fā)里德堡Rb85原子實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Experimental setup of Rydberg atoms excited by all infrared lasers

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 雙光電磁誘導(dǎo)透明

三光EIT是基于雙光EIT構(gòu)建的,首先從簡單的780 nm激光和776 nm激光構(gòu)成的雙光梯形EIT出發(fā)。圖3所示為實(shí)驗(yàn)所得的雙光梯形EIT光譜,其中780 nm激光根據(jù)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(xì)節(jié)都被淹沒,但是依舊能清晰地分辨出3個譜峰,根據(jù)780 nm鎖定位置及776 nm波長可知3個峰分別對應(yīng)中間態(tài)5D5/2(F=3,4,5)3個超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

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(dǎo)吸收

接下來加入第三束紅外1 260 nm激光,實(shí)驗(yàn)中通過將776 nm鎖定在雙光EIT光譜的某一個頻率點(diǎn)(圖3中的藍(lán)色星標(biāo)記點(diǎn)代表不同的頻率鎖定點(diǎn)),然后在41F7/2態(tài)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(yīng)的776 nm激光鎖定點(diǎn)為圖3中的B點(diǎn))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(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn),當(dāng)776 nm激光處于不同頻率鎖定點(diǎn)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(qiáng)度還是信噪比都具有較大差異,正如圖5所示。一方面,當(dāng)776 nm激光處于較遠(yuǎn)失諧時(A、D兩點(diǎn)),EIA光譜信噪比明顯較處于近失諧或共振時(B、D兩點(diǎn))要小;另一方面,負(fù)失諧鎖定時(A、B兩點(diǎn))明顯比共振和正失諧時(C、D兩點(diǎn))譜線強(qiáng)度要大得多。我們知道譜線強(qiáng)度越強(qiáng)則說明被激發(fā)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(dāng)負(fù)失諧時有利于對微波的探測。

圖5 當(dāng)776 nm分別處于A、B、C、D這4個鎖定點(diǎn)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(jī)制下的微波探測

2.3.1 利用AT分裂原理和標(biāo)準(zhǔn)天線方法對微波喇叭天線進(jìn)行標(biāo)定

微波與里德堡原子相互作用會使原子譜線產(chǎn)生分裂,且分裂的頻率間隔Δf與微波的強(qiáng)度具有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系

(1)

其中,ΩMW是微波電場的拉比頻率(Rabi frequency),這種譜線分裂現(xiàn)象被稱為AT分裂效應(yīng),正如圖6所示。這種數(shù)學(xué)關(guān)系保證了微波強(qiáng)度測量具有標(biāo)準(zhǔn)意義,因?yàn)槲⒉◤?qiáng)度與基本物理常數(shù)關(guān)聯(lián)起來,在未來制定微波電場強(qiáng)度單位標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)中,需要對比微波的發(fā)射強(qiáng)度與原子探測區(qū)域的實(shí)際強(qiáng)度,尤其是在AT分裂的微波強(qiáng)度區(qū)間以外,因此首先需要對微波喇叭天線進(jìn)行校準(zhǔn)。這里采用標(biāo)準(zhǔn)天線方法(standard antenna method,SAM),即

(2)

其中,E為實(shí)際電場強(qiáng)度;PMW為微波源的功率;η為鏈接損耗;g為喇叭增益系數(shù);α1為內(nèi)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(shí)驗(yàn)中均為常數(shù),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(shè)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(yuǎn)小于信號場,從而使得后續(xù)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(jìn)行了同步。

圖8所示為Signal微波強(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度和Signal微波的電場強(qiáng)度之間是成嚴(yán)格的正比關(guān)系。

圖8 里德堡原子接收不同強(qiáng)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(shí)驗(yàn)中的噪聲基底。根據(jù)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(jié)論

本工作從實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)實(shí)現(xiàn)了全紅外光下銣原子的里德堡激發(fā),并且研究了雙光EIT對三光EIA的光學(xué)影響;

2)成功實(shí)現(xiàn)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(xiàn)象實(shí)現(xiàn)了對微波喇叭天線的損耗標(biāo)定;