陳志文 佘圳躍 廖開宇 黃巍 顏輝 朱詩亮

(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 電磁場的量子精密測量技術(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低激發(fā)態(tài)大2—3 個數(shù)量級( ∝ n2)[1]， 因此對微波和太赫茲波的電場具有極高的靈敏度， 能夠?qū)崿F(xiàn)對微弱電場信號的探測.典型的銫原子 6 S1/2→6P3/2躍遷， 對應(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原子與電磁波電場的較強(qiáng)耦合， 會使得Rydberg能級參與的電磁誘導(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強(qiáng)度的大小， 從而將強(qiáng)度測量利用量子干涉效應(yīng)轉(zhuǎn)化為頻率測量， 實(shí)現(xiàn)可溯源高靈敏的電磁波電場強(qiáng)度測量.

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 原子量子干涉法測量微波電場強(qiáng)度能級示意圖， 以及微波場作用前后探測光透射峰(中下); (b) 實(shí)驗(yàn)測量裝置圖[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]通過微波場耦合兩個Rydberg 能級， 利用Rydberg原子的EIT 效應(yīng)和微波作用下的AT 分裂， 實(shí)現(xiàn)對微波電場強(qiáng)度的精密測量.所能探測的最小場強(qiáng)約為8 μ V/cm ， 測量靈敏度達(dá)30 μ V·cm-1·Hz-1/2.相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)芗増D與裝置圖如圖1 所示.探測光與耦合光對向傳播， 在銣原子蒸氣室中與原子相互作用.沒有微波場作用時， 觀測到標(biāo)準(zhǔn)的級聯(lián)三能級EIT 透射峰.有微波場作用時， 觀測到EIT 透射峰劈裂為兩個峰， 劈裂的兩個峰間距為 Δ f ， 在一定條件下與微波耦合Rydberg 能級的拉比頻率ΩMW滿足以下關(guān)系:

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

其中， ? 是普朗克常數(shù)， μ 是Rydberg 能級電偶極矩， ΩMW是微波 拉 比頻率， λp和 λc分別是 探 測光和耦合光波長， Δ f 是兩個透射峰間距.從(1)式可知， 該方法把電場強(qiáng)度測量轉(zhuǎn)化為頻率測量.在所有的物理量中， 頻率的測量精確度是最高的[3].因此， 基于Rydberg 量子干涉法測量電場強(qiáng)度， 能夠有效溯源到國際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)SI.2007 年， 英國杜倫大學(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.2013 年， Shaffer 小組[5]使用銣原子泡測量矢量電場， 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)微波電場亞波長成像， 同年美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) Holloway 小組[7]利用寬帶Rydberg 原子電場探頭實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)測量及亞波長成像， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)毫米波探測[8]， 以及利用Rydberg原子的EIT 效應(yīng)和AT 分裂進(jìn)行亞波長分辨率的場強(qiáng)測繪， 對17.04 和104.77 GHz 的射頻電場成像， 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測量場強(qiáng)大小的影響.2016 年他們使用菱形原子泡測量射頻場時發(fā)現(xiàn)氣室的折射率變化會導(dǎo)致探測光的偏轉(zhuǎn)[11].2017 年他們又使用頻率調(diào)制技術(shù)在5 GHz 時獲得了 3 μV·cm-1·Hz-1/2噪聲等效功率(NEP)， 提高了測量靈敏度[12]， 以及利用Mach-Zehnder 干涉儀作為外差探頭實(shí)現(xiàn)場強(qiáng)精密測量， 測量靈敏度可以達(dá)到 5 μV·cm-1·Hz-1/2[13].2019 年， Holloway 小組[14]將兩個射頻電場作用于原子泡， 使用外差檢測實(shí)現(xiàn)了對弱電場的測量， 頻率分辨率優(yōu)于1 Hz.同年， 中國計(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強(qiáng)測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)廖開宇等[17]利用冷Rydberg 原子電磁誘導(dǎo)吸收實(shí)現(xiàn)微波電場測量等.

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)”.隨著電磁空間競爭日趨白熱化， 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發(fā)利用的頻譜資源， 因此世界各國高度重視.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， 利用太赫茲對非金屬和非極性物質(zhì)的高透過性， 可用于安檢、遙感、火場救護(hù)、戰(zhàn)場尋敵等; 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)對炸藥、毒品等物質(zhì)的識別分類; 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， 具有很高的安全性， 是下一代無線通信和衛(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， 國際上有研究組利用Rydberg 原子對電磁場具有的極高靈敏度， 采用量子干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對太赫茲場強(qiáng)的測量.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)時成像等優(yōu)勢， 非常有希望突破已有太赫茲技術(shù)在太赫茲探測計(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 原子的太赫茲測量技術(shù)

2.1 太赫茲場強(qiáng)測量

近年發(fā)展起來的基于Rydberg 原子的量子干涉效應(yīng)測量電磁波電場強(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)對微波場強(qiáng)精密測量.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， 測量靈敏度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的太赫茲探測技術(shù).杜倫大學(xué)Weatheril 小組使用三光子Rydberg 態(tài)EIT 測量了頻率為0.634 THz的太赫茲場強(qiáng)[22]， 能級示意圖如圖3(a)所示.掃描Rydberg 激光的失諧， 記錄探測光的透射信號.當(dāng)探測光和耦合光失諧均為零時， 四能級哈密頓量為

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 的太赫茲場耦合 2 1P3/2→21S1/2， 使得EIT 窗口劈裂為兩個峰.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，EIT-AT 分裂如圖3(b)所示.

圖3 (a) Cs Rydberg 態(tài)三步激發(fā)能級圖; (b) 當(dāng)Ωp =Ωc =2π×5 MHz， Ω R =2π×8.4 MHz，ΩT =2π×[0， 10， 30，50]MHz 時， 利用5 能級光學(xué)布洛赫模型擬合Rydberg EIT-AT 分裂(彩實(shí)線)及對應(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 場強(qiáng)測量 (a) 當(dāng)ΩT =0時， 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， 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， 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].

打開太赫茲場之前， 實(shí)驗(yàn)探測到的三光子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， 說明該模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好[23].打開太赫茲場后， 以FWHM 作為自由參數(shù)的單個洛倫茲線型進(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 峰劈裂對應(yīng)的太赫茲場拉比頻率ΩT/2π=(5.2±1.4)MHz， 可以計(jì)算得到太赫茲場的場強(qiáng)為(25±5)mV·cm-1.

特定的Rydberg 態(tài)只能耦合到少數(shù)幾個接近共振的太赫茲頻率， 但可以選擇不同的Rydberg態(tài)來耦合不同的頻率， 實(shí)現(xiàn)很寬的太赫茲頻域的探測.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 太赫茲近場高速成像

將難以探測的太赫茲信號轉(zhuǎn)換為其他容易探測的信號， 例如電信號等， 是目前實(shí)現(xiàn)太赫茲探測的基本技術(shù)路線， 利用Rydberg 原子同樣可以實(shí)現(xiàn)這樣的太赫茲轉(zhuǎn)化探測過程， 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)了對太赫茲場強(qiáng)的空間可分辨探測和成像[26，27].但是這一技術(shù)對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， 通過對自發(fā)輻射產(chǎn)生的可見光波段熒光進(jìn)行成像的方法， 實(shí)現(xiàn)了太赫茲駐波場強(qiáng)空間分布的近場實(shí)時成像.實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖5(a)所示， 紅外激光束與THz 波束同軸對準(zhǔn)， 穿過2 mm 長的石英銫蒸氣泡.在太赫茲場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， THz 源與攝像機(jī)的快門同步門控， 因此幀數(shù)會交替顯示該駐波場存在或消失.這種成像技術(shù)無需多次重復(fù)采集數(shù)據(jù)或者掃描探測器位置， 因此成像是實(shí)時的.成像的帶寬極限由Rydberg 能級壽命決定， 一般約為微秒量級.

圖5 基于Rydberg 原子太赫茲近場成像 (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應(yīng)的躍遷偶極矩; (d) 銫原子能級激發(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)， 對一小部分像素求平均值以找到歸一化的相機(jī)信號， 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控制太赫茲強(qiáng)度.當(dāng)太赫茲場的強(qiáng)度為零時， 非共振激光激發(fā)到 2 1P3/2態(tài)會產(chǎn)生弱的背景熒光， 在圖像中扣除背景熒光.一旦測量得到靈敏度， 記錄太赫茲場圖像時就無需再次重復(fù)校準(zhǔn)和做背景熒光測量.CCD 相機(jī)獲得的圖像像素亮度與THz 電場強(qiáng)度成正比， 如圖6(b)所示.基于Rydberg 原子太赫茲近場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)掃描探針測繪太赫茲場強(qiáng)空間分布時花費(fèi)數(shù)十小時獲取圖像的技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢[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 場到光場的非相干轉(zhuǎn)換， 從而可使用商用相機(jī)通過收集Rydberg 原子的自發(fā)輻射熒光信號實(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)， 過程如圖7(a)所示.共振THz 場將原子 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光學(xué)傳感器進(jìn)行檢測并獲取圖像信息.在0.55 THz 場的作用下， 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 場的視頻信號.其空間分辨率接近衍射極限， 最小探測功率為(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.在激光與太赫茲場重疊區(qū)域內(nèi)， 原子發(fā)出的熒光被CCD 相機(jī)收集.同時使用窄帶濾光片進(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， 通過在成像目標(biāo)平面上放置一個金屬掩模改變太赫茲場強(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 動態(tài)成像.圖8(a)為光學(xué)斬波片旋轉(zhuǎn)速率為700 r/min 時的運(yùn)動， 成像幀數(shù)在3 kHz.圖8(b)為幀數(shù)在500 Hz 時的水滴下落情況.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， 通過相對簡單的調(diào)整有希望進(jìn)一步提高成像性能.例如， 通過減小銫泡腔室的厚度( ＜ 200 μm)并增加抗反射涂層， 可以減少太赫茲場反射引起的干涉效應(yīng)， 從而提高圖像質(zhì)量; 通過使用更先進(jìn)的太赫茲透鏡系統(tǒng)來提高圖像分辨率;通過使用更大的銫泡腔室來擴(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)用價值[33-35].

圖6 太赫茲場強(qiáng)校準(zhǔn) (a) 利用EIT 效應(yīng)測量THz 場強(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) 銫原子能級示意圖; (b) THz 場開啟(綠色)和關(guān)閉(橙色)時的熒光光譜信號;(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; (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)國爭先搶占的科學(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.與激光通信相比， 太赫茲通信對平臺穩(wěn)定度和跟瞄要求較低.國際聯(lián)盟指定的下一代無線通信和衛(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)字信號混合到與Rydberg 原子共振的微波中.原子蒸氣室作為載波信號接收端， 吸收混頻的微波信號發(fā)生EIT-AT 分裂， 將接收到的頻帶信號轉(zhuǎn)化為探測光的振幅相位 φμ.外部利用外差探頭， 經(jīng)過鎖相放大器進(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.圖9(e)所示為典型的電場作用下的EIT-AT 分裂;圖9(f)給出了在解調(diào)后的同向電壓信號 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)給出了信號接收端接收到的相位信號和相應(yīng)的相位軌跡.

Rydberg 原子天線也可以用作太赫茲通信， 本文提出了一個基于四能級銫原子系統(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).探測光波長為852 nm，耦合 | 1〉?|2〉 態(tài)躍遷， 對應(yīng)的拉比頻率為 Ωp.耦合光波長為515 nm， 對應(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 場用于耦合兩個Rydberg 態(tài) | 3〉?|4〉 ， 對應(yīng)的躍遷拉比頻率為 ΩT.

四能級哈密頓量 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) 能級示意圖; (c) 使用光電探測器測量探測光; (d) 使用外差探頭測量探測光; (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/? 以及對應(yīng)的失諧 Δp=ωp-ω12，Δc=ωcω23， ΔT=ωT-ω34.探測光為弱場， 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， EIT-AT 劈裂的數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖10(b)所示.對太赫茲載波進(jìn)行幅度調(diào)制， 所獲得的EIT 信號也會帶有調(diào)制信息.由EIT信號的幅度變化可得到幅度調(diào)制的信息.通過鎖相放大器調(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 太赫茲測量進(jìn)展

Rydberg 太赫茲實(shí)驗(yàn)裝置如圖11(a)所示， 探測光(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)頻鎖定探測光的激光頻率， 以滿足 6 S1/2( F =4)→6P3/2( F′=5) 能級躍遷， 耦合光頻率在 6 P3/2( F′=5)→25S1/2能級躍遷附近掃描.圖11 (b)中的黑色實(shí)線為探測到的EIT 信號.調(diào)節(jié)太赫茲頻率至338.75 GHz， 耦合Rydberg 能級為 2 5S1/2→25P3/2.當(dāng)太赫茲場作用時， 原Rydberg 三能級系統(tǒng)的EIT 透明窗口發(fā)生AT 分裂， 且隨著信號源功率的增大， 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 四能級系統(tǒng); (b) 當(dāng)電磁場拉比頻率為 Ω T =2π×[0， 1， 2.5， 5] MHz 時， 分別對應(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)中測到的不同太赫茲電場強(qiáng)度下的EIT 信號(黑色實(shí)線， 太赫茲場關(guān)閉;黃、粉、綠色實(shí)線， 增大信號源功率分別對應(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)對該頻段電磁波場強(qiáng)的高靈敏探測， 理論上靈敏度可達(dá)到遠(yuǎn)高于現(xiàn)有探測技術(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)的電磁場探測及精密測量技術(shù)在太赫茲的場強(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“改變未來世界的十大技術(shù)”之一， 在安檢、質(zhì)檢、火場救援、醫(yī)學(xué)成像、無線通信和衛(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)國爭奪的重點(diǎn)領(lǐng)域.太赫茲技術(shù)需要綜合多個學(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， 國際上有研究組利用Rydberg 原子對電磁場具有的極高靈敏度， 采用量子干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對太赫茲場強(qiáng)的測量.與傳統(tǒng)技術(shù)相比， 基于Rydberg 原子的太赫茲技術(shù)具有測量準(zhǔn)確度高、自校準(zhǔn)、可溯源、空間分辨率高、可實(shí)時成像等優(yōu)勢， 非常有希望突破已有太赫茲技術(shù)在太赫茲探測和計(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.