前言
太赫兹 天线 太赫兹 天线 太赫兹 天线 物理学报 物理学报 物理学报 陈志文 , 余圳跃 , 廖开宇 , 黄巍 , 颜辉 , 朱诗亮 陈志文、余、廖开宇、黄巍、颜辉 陈志文,余圳跃,廖开宇,黄巍,颜辉,朱诗亮 2020 2020 2020
目录
-
- 前言
- Rydberg原理
-
- 2012 Shaffer小组的实验
- 基于Rydberg原子技术
-
- 1.THz场强测量
- 2.THz近场高速成像
- 3.THz通信
- Rydberg原子Antenna
- 目的 结论
- 问题
Rydberg原理
Rydberg原子是指 主量子数 n > 10 n>10 n>10 高激发态原子
Rydberg原子的电偶极矩大于2或3个数量级 R y d b e r g 电偶极矩 ∝ n 2 Rydberg电偶极矩 \propto n^2 Rydberg
所以对微波、THz波的电场具有极高的灵敏度 （能够实现对微弱电场信号的探测）
Rydberg原子与电场的较强耦合，使得Rydberg能级参与的电磁诱导透明效应（EIT效应）的透明峰产生AT分裂，分裂后的双峰间距与耦合的拉比频率成正比
电磁诱导透明效应（EIT效应）： 能够利用外加相干光场来诱导原子系统的相消干涉来抵消媒介对某种光的吸收，使不透明的材料变得透明 AT分裂： 涉及多个电子态及它们之间的相互作用，是强激光与物质相互作用的高阶非线性现象？ 拉比频率： 对于一个二能级系统，我们施加一个电磁波，在该电磁波频率恰当的场合，该系统中的原子会不断在E1能级和E2能级间跃迁，这种现象称之为拉比振荡
从而将强度测量利用量子干涉效应转化为频率测量，实现可溯源高灵敏的电磁波电场强度测量
强度测量 ⟹ 量子干涉效应 频率测量 强度测量 \overset{\text{量子干涉效应}}{\Longrightarrow} 频率测量 强度测量⟹量子干涉效应频率测量
\;\\\;\\\;
2012 Shaffer小组的实验
通过微波场耦合两个Rydberg能级，利用Rydberg原子的EIT效应，和微波作用下的AT分裂，实现对微波电场强度的精密测量
灵敏度 ≈ 30 μ V ⋅ c m − 1 ⋅ H z − 1 / 2 灵敏度\approx 30\mu V\cdot cm^{-1}\cdot Hz^{-1/2} 灵敏度≈30μV⋅cm−1⋅Hz−1/2 E m i n ≈ 8 μ V / c m E_{min}\approx 8\mu V/cm Emin≈8μV/cm
探测光与耦合光对向传播，在铷Rb原子蒸汽室中，与原子相互作用
- 没有微波作用时，观测到标准的级联三能级EIT透明峰
- 有微波场作用时，观测到EIT透明峰，裂开成两个峰，间距 Δ f \Delta f Δf
Ω M W = 2 π Δ f \Omega _{MW}=2\pi \Delta f ΩMW=2πΔf 其中 Ω M W \Omega_{MW} ΩMW是拉比频率（与微波耦合Rydberg能级的）
\;
考虑到扫描探测光，失谐时引入多普勒修正因子?，则微波电场强度大小： ∣ E ∣ = ℏ μ Ω M W = 2 π ℏ μ λ p λ c Δ f |E|=\frac{\hbar}{ \mu }\Omega_{MW} = 2\pi \frac{\hbar}{\mu} \frac{\lambda _p}{ \lambda _c } \Delta f ∣E∣=μℏΩMW=2πμℏλcλpΔf 其中 μ \mu μ是Rydberg能级电偶极矩， λ p \lambda_p λp是探测光波长， λ c \lambda_c λc是耦合光波长
把电场强度的测量转化为频率测量（因为在所有的物理量中，频率测量精确度最高）
\;\\\;\\\;
基于Rydberg原子技术
1.THz场强测量
杜伦大学的Weatheril小组使用三光子Rydberg态EIT，测量了0.634THz的太赫兹场强
扫描Rydberg激光的，记录探测光的
当探测光的失谐、耦合光的失谐都为零时，四能级哈密顿量为：
H ^ 4 − l e v e l = ℏ 2 ( 0 Ω p 0 0 Ω p 2 Δ 1 p h Ω c 0 0 Ω c 2 Δ 2 p h Ω R 0 0 Ω R 2 ( Δ R + Δ 3 p h ) ) \hat{H}^{4-level} = \frac{\hbar}{2} \left( \begin{matrix} 0 & \Omega_p & 0 & 0 \\ \Omega_p & 2\Delta _{1ph} & \Omega_c & 0 \\ 0 & \Omega_c & 2\Delta_{2ph} & \Omega_R \\ 0 & 0 & \Omega_R& 2(\Delta _R + \Delta _{3ph} ) \end{matrix} \right) H^4−level=2ℏ⎝ ⎛0Ωp00Ωp2Δ1phΩc00Ωc2Δ2phΩR00ΩR2(ΔR+Δ3ph)⎠ ⎞
其中 Δ 1 p h = v ⃗ ⋅ k ⃗ p \Delta _{1ph}=\vec{v} \cdot \vec{k}_p Δ1ph=v ⋅k p Δ 2 p h = v ⃗ ⋅ ( k ⃗ p + k ⃗ c ) \Delta _{2ph}=\vec{v} \cdot (\vec{k}_p+\vec{k}_c) Δ2ph=v ⋅(k p+k c) Δ 3 p h = v ⃗ ⋅ ( k ⃗ p + k ⃗ c + k ⃗ R ) \Delta _{3ph}=\vec{v} \cdot (\vec{k}_p+\vec{k}_c + \vec{k}_R ) Δ3ph=v ⋅(k p+k c+k R) v ⃗ \vec{v} v 是原子速度 k p = 2 π / ( 852 n m ) {k}_p=2\pi/(852nm) kp=2π/(852nm)是探测光波数， Ω p \Omega_p Ωp是探测光拉比频率 k c = 2 π / ( 1470 ) {k}_c=2\pi/(1470) kc