Guangdong Provincial Key Laboratory of Quantum Engineering and Quantum Materials, School of Physics and Telecommunication Engineering, South China Normal University, Guangzhou 510006, China
Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 91636218, 11804104), the Key Area Research and Development Program of Guangdong Province, China (Grant No. 2019B030330001), and the Key Project of Science and Technology of Guangzhou, China (Grant Nos. 201804020055, 201902020002)
Received Date:06 November 2020
Accepted Date:13 November 2020
Available Online:09 March 2021
Published Online:20 March 2021
Abstract:Rydberg atoms have large electric dipole moments in the microwave and terahertz frequency band. The detection of electromagnetic field intensity in this frequency band can be achieved by using quantum interference effects. Theoretically, this detection method can have a sensitivity much higher than the traditional detection methods. Therefore, electromagnetic field detection and precision measurement technology based on Rydberg atomic quantum effects has great application prospects in terahertz field strength and power measurement, terahertz communication and imaging. In this paper, we review the basic theory and experimental methods to realize the self-calibration and traceability measurement of electromagnetic field based on Rydberg atomic quantum effects. The principle and technical scheme of high-sensitivity terahertz field strength measurement, terahertz near-field high-speed imaging and terahertz digital communication based on Rydberg atom are introduced in detail. Finally, the processing terahertz detection work based on Rydberg atom by our research team is also mentioned briefly. Keywords:Rydberg atom/ precise measurement of electromagnetic field/ terahertz imaging/ terahertz communication
表1铷和铯的Rydberg原子在THz频段的径向电偶极矩 Table1.Radial part of electric dipole element between Rydberg states in the THz band for Rubidium and caesium.
2012年俄克拉荷马州立大学的Shaffer小组[2]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. 所能探测的最小场强约为8 $ {\text {μ}} \rm{V}/\rm{cm} $, 测量灵敏度达30 $ {\text {μ}} \rm{V}\cdot\rm{cm}^{-1}\cdot\rm{Hz}^{-1/2} $. 相关实验能级图与装置图如图1所示. 探测光与耦合光对向传播, 在铷原子蒸气室中与原子相互作用. 没有微波场作用时, 观测到标准的级联三能级EIT透射峰. 有微波场作用时, 观测到EIT透射峰劈裂为两个峰, 劈裂的两个峰间距为$ \Delta f $, 在一定条件下与微波耦合Rydberg能级的拉比频率$ \varOmega_{\rm{MW}} $满足以下关系: 图 1 (a) Rydberg原子量子干涉法测量微波电场强度能级示意图, 以及微波场作用前后探测光透射峰(中下); (b) 实验测量装置图[2] Figure1. (a) Energy level diagram for the four-level system. The top part of the inset shows an example EIT feature without a microwave electric field. The bottom part of the inset shows an example EIT-AT with a microwave electric field. (b) Experimental set-up used for the experiments[2].
其中$ \varDelta_{\rm{1 ph}} = {{v}} \cdot {{k}}_{\rm{p}} $, $ \varDelta_{\rm{2 ph}} = {{v}} \cdot\left({{k}}_{\rm{p}}+{{k}}_{\rm{c}}\right) $, $\varDelta_{\rm{3 ph}} = {{v}} \cdot $$ ({{k}}_{\rm{p}}+ {{k}}_{\rm{c}}+{{k}}_{\rm{R}})$, $ {{v}} $是原子速度, 探测光、耦合光和Rydberg光波数分别为${ k}_{\rm{p}}=2 {\text {π}}/$(852 nm), ${ k}_{\mathrm{c}}=2 {\text {π}}$/(1470 nm), ${ k}_{\rm{R}} = 2 {\text {π}}/$(799 nm). 对应的拉比频率分别为$ \varOmega_{\rm{p}} $, $ \varOmega_{\rm{c}} $和$ \varOmega_{\rm{R}} $, Rydberg光失谐为$ \varDelta_{\rm{R}} $. 为了进一步研究EIT-AT分裂, 引入0.634 THz的太赫兹场耦合$ 21 \mathrm{P}_{3/2} \rightarrow 21 \mathrm{S}_{1/2} $, 使得EIT窗口劈裂为两个峰. 当$ \varOmega_{\rm{p}} = \varOmega_{\rm{c}}=2 {\text {π}} \times5 \; {\rm {MHz}}$, $\varOmega_{\rm{R}}=2 {\text {π}}\times8.4\; {\rm {MHz}}$, 太赫兹拉比频率$ \varOmega_{\rm{T}} = 2 {\text {π}} \times[0, \;10,\; 30,\; 50]\; {\rm {MHz}} $时, EIT-AT分裂如图3(b)所示. 打开太赫兹场之前, 实验探测到的三光子EIT谱线如图4(a)所示. 使用$\rm{FWHM}=(8.4 \pm 1.6)$ MHz的洛伦兹线形进行拟合, 拟合误差很小, 说明该模型与实验数据符合得很好[23]. 打开太赫兹场后, 以FWHM作为自由参数的单个洛伦兹线型进行拟合(图4(b)), 虽然透射峰线型变化不大, 但是从拟合误差可以看出, 这时理论模型和实验数据具有较大偏差. 随后使用双洛伦兹线型拟合数据(图4(c)). 限制每个洛伦兹峰的宽度以匹配EIT劈裂峰, 并将峰的高度和双峰的间距设置为自由参数, 拟合误差结果表明, 该模型与实验数据匹配得较好. 提取EIT峰劈裂对应的太赫兹场拉比频率$\varOmega_{\rm{T}}/2 {\text {π}} = $$ (5.2 \pm 1.4)$ MHz, 可以计算得到太赫兹场的场强为$( 25 \pm 5) $$\rm{mV}\cdot\rm{cm}^{-1}$. 图 4 基于Rydberg EIT的THz场强测量 (a) 当$ \varOmega_{\rm{T}} = 0 $时, 使用单洛伦兹线性拟合EIT透射峰; (b) 当$\varOmega_{\rm{T}}/2 {\text {π}}= $$ (5.2 \pm 1.4)$ MHz时, 使用单洛伦兹线性拟合EIT-AT 分裂峰; (c) 当$\varOmega_{\rm{T}}/2 {\text {π}}= (5.2 \pm 1.4)$ MHz时, 使用双洛伦兹线性拟合EIT-AT分裂峰; 下方数据为各自对应的拟合残差[22] Figure4. THz electric field amplitude measurement: (a) Probe transmission line shape for $ \varOmega_{\rm{T}} = 0 $ and best fit line (dashed) is a single Lorentzian; (b) probe transmission line shape for $\varOmega_{\rm{T}}/2 {\text {π}}= (5.2 \pm 1.4)$ MHz and best fit line (dashed) is a single Lorentzian; (c) probe transmission line shape for $\varOmega_{\rm{T}}/2 {\text {π}} = (5.2 \pm 1.4)$ MHz and a summed pair of Lorentzian peaks. Below datas are residuals for different models[22].
特定的Rydberg态只能耦合到少数几个接近共振的太赫兹频率, 但可以选择不同的Rydberg态来耦合不同的频率, 实现很宽的太赫兹频域的探测. 如图5(c)所示[24], 从低频到3 THz, Rydberg原子都具有较大的电偶极矩, 可作为太赫兹频域场强和功率计量标准的理想候选者[25]. 图 5 基于Rydberg原子太赫兹近场成像 (a) 实验系统装置; (b) 太赫兹荧光成像; (c) Rydberg原子在THz波段下共振跃迁频率对应的跃迁偶极矩; (d) 铯原子能级激发图; (e) 录制的视频[28] Figure5. 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].
22.2.太赫兹近场高速成像 -->
2.2.太赫兹近场高速成像
将难以探测的太赫兹信号转换为其他容易探测的信号, 例如电信号等, 是目前实现太赫兹探测的基本技术路线, 利用Rydberg原子同样可以实现这样的太赫兹转化探测过程, 并能够实现高空间分辨率的太赫兹成像. 早期用具有空间分布的太赫兹场电离Rydberg原子, 将生成的离子聚焦到空间分辨的微通道板上实现了对太赫兹场强的空间可分辨探测和成像[26,27]. 但是这一技术对Rydberg原子是破坏性的, 只能进行单次成像, 离子成像的分辨率也不高. 2016年, 杜伦大学Weatherill小组[28]采用太赫兹抽运Rydberg原子, 通过对自发辐射产生的可见光波段荧光进行成像的方法, 实现了太赫兹驻波场强空间分布的近场实时成像. 实验装置示意图如图5(a)所示, 红外激光束与THz波束同轴对准, 穿过2 mm长的石英铯蒸气泡. 在太赫兹场和激光束的空间交叠位置处原子被激发到$ 21 \mathrm{S}_{1/2} $的Rydberg态, 并在可见光波段发出荧光, 如图5(d)所示. 激光束和太赫兹波水平穿过成像区, 部分太赫兹波被反射从而产生驻波干涉结构, 图5(b)为形成的干涉图样. 图像获取时间由荧光强度、相机灵敏度和信噪比决定. 使用商用CCD相机, 录制了25帧的视频(40 ms/帧). 在图5(e)中显示了前三帧. 由于在录制视频时, THz源与摄像机的快门同步门控, 因此帧数会交替显示该驻波场存在或消失. 这种成像技术无需多次重复采集数据或者扫描探测器位置, 因此成像是实时的. 成像的带宽极限由Rydberg能级寿命决定, 一般约为微秒量级. 使用Autler-Townes校准技术, 对一小部分像素求平均值以找到归一化的相机信号, 其中红、黄、蓝代表相机不同通道采集的数据. 在太赫兹源处使用衰减器来控制太赫兹强度. 当太赫兹场的强度为零时, 非共振激光激发到$ 21 \mathrm{P}_{3/2} $态会产生弱的背景荧光, 在图像中扣除背景荧光. 一旦测量得到灵敏度, 记录太赫兹场图像时就无需再次重复校准和做背景荧光测量. CCD相机获得的图像像素亮度与THz电场强度成正比, 如图6(b)所示. 基于Rydberg原子太赫兹近场成像不仅拥有在二维平面中快速采集图像的潜力, 而且与传统扫描探针测绘太赫兹场强空间分布时花费数十小时获取图像的技术相比具有显著优势[29-31]. 图 6 太赫兹场强校准 (a) 利用EIT效应测量THz场强; (b) 相机校准, 相机获得的图像像素亮度与THz电场大小成正比[28] Figure6. (a) THz electric field measurement using electromagnetically induced transparency (EIT); (b) camera calibration. The camera signal as a function of THz intensity[28].
2020年, Weatherill小组[32]在太赫兹成像领域进一步推进了相关工作, 用Rydberg原子实现了THz场到光场的非相干转换, 从而可使用商用相机通过收集Rydberg原子的自发辐射荧光信号实现超高速图像采集. 三步激发将原子制备到$ 14 \mathrm{P}_{3/2} $态, 过程如图7(a)所示. 共振THz场将原子从$ 14 \mathrm{P}_{3/2} $态抽运到邻近的$ 13 \mathrm{D}_{5/2} $态. $ 13 \mathrm{D}_{5/2} $态Rydberg原子自发辐射出绿色荧光(535 nm)下落回中间态$ 6 \mathrm{P}_{3/2} $, 自发辐射出的荧光可通过光学传感器进行检测并获取图像信息. 在0.55 THz场的作用下, 利用 $1 \;\rm{cm}^{2}$大小, 具有$40\;{\rm {cm}} \times 40\;{\rm {cm}}$像素阵列的CCD, 可获取0.55 THz场的视频信号. 其空间分辨率接近衍射极限, 最小探测功率为$ (190 \pm 30) $$\rm{fW}\cdot\rm{s}^{-1/2}$, 每秒可获取3000帧. 图 7 基于Rydberg原子太赫兹超高速成像 (a) 铯原子能级示意图; (b) THz场开启(绿色)和关闭(橙色)时的荧光光谱信号; (c) 实验装置图; (d) 放置在成像目标位置处的金属掩模[32] Figure7. THz imaging at ultrahigh speed based on Rydberg atom: (a) Internal energy structure of caesium; (b) spectral characteristics of the fluorescence from the vapor, both with and without the THz field (green and orange lines, respectively); (c) diagram of the imaging setup described in this work; (d) metal mask (center) placed in the object plane of the system[32].
太赫兹通信技术是当今世界各科技强国争先抢占的科学技术制高点. 太赫兹通信与微波通信相比, 具有带宽大、信息传输容量高等优势. 与激光通信相比, 太赫兹通信对平台稳定度和跟瞄要求较低. 国际联盟指定的下一代无线通信和卫星通信频段中就包括了太赫兹频段. 太赫兹通信技术虽然具有远大的应用前景, 但是现有技术仍存在着若干问题. 基于Rydberg原子的太赫兹数字通信, 有望实现多路转换、多路复用、多路并行的快速通信, 可以避免传统天线中的热噪声[36], 大幅度提高太赫兹通信距离. 2018年, 美国陆军研究实验室Meyer等[37]演示了幅度调制微波通信, 该技术可以推广到太赫兹频段的数字通信. Rydberg原子数字通信的实验装置和能级系统示意图如图9(a)和图9(b)所示. 在发送端, 将通信的基带数字信号混合到与Rydberg原子共振的微波中. 原子蒸气室作为载波信号接收端, 吸收混频的微波信号发生EIT-AT分裂, 将接收到的频带信号转化为探测光的振幅相位$ \varphi_{\text {μ}} $. 外部利用外差探头, 经过锁相放大器进行相位解调: $ \varphi_{\text {μ}} = $$ \arctan \left(V_{\rm{Q}}/V_{\rm{I}}\right) $, 把相位信息转化为正交相电压信号. 图9(e)所示为典型的电场作用下的EIT-AT分裂; 图9(f)给出了在解调后的同向电压信号$ V_{\rm{I}} $与5种不同编码相位的实例. 在此基础之上, 他们通过改变调制相位, 演示了八相移键控(8PSK)通信方案. 图9(g)和图9(h)给出了信号接收端接收到的相位信号和相应的相位轨迹. 图 9 基于Rydberg原子天线的数字通信 (a) 实验装置图; (b) 能级示意图; (c) 使用光电探测器测量探测光; (d) 使用外差探头测量探测光; (e) Rydberg EIT (蓝色)和AT分裂(绿色); (f) 5种不同编码实例; (g) 接收到的8PSK相位信息; (h) 8PSK相位信息对应的相位轨迹[37] Figure9. 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].