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Acta Sinica Quantum Optica

基于里德堡原子的模拟鱼类放电特征信号测量

詹德芳 De-fang ZHAN, 苏楠 Nan SU, 刘瑶 Yao LIU, 何军 Jun HE, 赵晨含 Chen-han ZHAO, 刘智慧 Zhi-hui LIU, Junmin Wang

Published Jan 1, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

本文中描述利用里德堡原子构建光学原子天线并开展鱼类放电特征信号的模拟测量。实验中采用级联双光子激发方案制备铯（133Cs）里德堡原子，利用反向共线光路获得消多普勒效应的电磁感应透明（electromagnetically induced transparency，EIT）光谱。电场中的里德堡原子有较强的Stark频移效应，原子能级频移通过单光子频率失谐引起EIT幅度变化。我们优化了原子天线工作于电场强度响应的近线性区域，利用EIT光谱技术测量时间相关的脉冲电场信号，测量并表征了多种鱼类放电特征信号。

DOI
10.3788/jqo20253104.0204

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铯原子nD里德堡态量子亏损的精密测量

范伟娜 Wei-na FAN, 宜旭阳 Xu-yang YI, 康智强 Zhi-qiang KANG +2 more

量子亏损是碱金属原子低轨道角动量的特有性质，它主要源于最外层电子轨道与离子实相互作用所引起的能量变化，导致碱金属低轨道角动量态的能量与氢原子相应能级相比产生较大的频移。在里德堡原子波函数的数值计算过程中，量子亏损会影响里德堡能级的精确值，从而影响波函数的计算精确度，对于里德堡原子的极化率计算、基于里德堡原子的微波电场测量等理论研究和实验测量精确度的提高有重要的意义。原子的电磁诱导透明效应（Electromagnetically-Induced-Transparency，EIT）提供了一种实现精密测量里德堡能级的技术手段。通过双光子激发方法将室温蒸汽池中的原子激发到里德堡态，利用电磁诱导透明光谱测量了nD5/2和nD3/2态（50≤n≤70）的精细结构分裂，进而拟合获得了铯原子nD里德堡态的量子亏损。通过分析铯里德堡原子nD态精细结构分裂的测量误差，去除了里德堡原子相互作用引起的能级频移，提高了铯里德堡nD态量子亏损测量的精确度。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2024•0 citations

基于铯里德堡原子的宽带太赫兹场强测量系统设计

张映昀 ZHANG Yingyun, 柴继旺 CHAI Jiwang, 刘贵祥 LIU Guixiang +2 more

提出一种基于里德堡原子的可直接溯源至基本物理常数的0.1~0.5 THz太赫兹场强测量系统设计。热里德堡原子光谱对太赫兹电场进行探测时，利用量子相干效应得到电磁感应透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）光谱；利用理论计算得到0.1~1.5 THz频段内存在大量频点可耦合电偶极矩大的里德堡跃迁，并使EIT光谱透射峰发生Autler-Townes劈裂（AT splitting），即证明利用里德堡原子可以实现宽频带范围内的准连续测量；最终利用同一原子气室实现了0.1~0.5 THz频段内多个频点太赫兹电场探测，且一定范围内测得AT劈裂宽度随作用在气室上的场强增大。可见，里德堡原子具有宽频带范围内高灵敏度太赫兹场探测能力，为里德堡原子在太赫兹雷达、安全检查、生物研究等方面的微弱太赫兹信号测量以及太赫兹计量的应用奠定了基础。

Infrared and Laser Engineering•Jan 1, 2025•3 citations

基于拉比共振技术实现微波电场测量

孙伟 Wei SUN, 成永杰 Yong-jie CHENG, 靳刚 Gang JIN +2 more

基于里德堡原子的微波电场测量技术，利用电磁感应透明光谱（Electromagnetically induced transparency，EIT）和（Autler-Townes，AT）分裂光谱实现微波电场强度测量。EIT-AT光谱测量要求微波-原子耦合的拉比频率大于EIT线宽，这会限制弱场条件下微波场强的测量和溯源。本文提出利用参量技术调谐微波与原子的耦合特性，采用参量放大的EIT-AT过程实现微弱微波电场拉比频率测量。文章首先通过微波场相位调制引入调控参量，模拟给出微波-里德堡原子耦合的拉比共振效应；进一步设计拉比共振的光谱测量方案，计算模拟弱电场条件下参量过程的里德堡原子光谱特性。基于参量放大的光谱技术，将传统微波强度所用的EIT-AT光谱分裂测量转化为EIT强度测量，该光谱技术允许在弱场强条件下开展微波测量和溯源。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2025•0 citations

Polarization dependence of 133Cs 6S1/2-6P3/2-11S1/2 electromagnetically induced transparency at room temperature

Thi-Thuy Nguyen, Te-Hsin Chen, Ly Ly Nguyen Thi +1 more

The effect of polarization on the ladder-type electromagnetically induced transparency (EIT) spectra of 133Cs atoms at room temperature for the transitions 62P1/2-62P3/2-112S1/2 is experimentally studied. The entire spectra with additional peaks arising from the Doppler effect are observed. As the relative angle between the probe’s and coupling’s plane of polarization arranges at 0°, 45°, and 90°, the peak height ratio of 44′3" to 44′4" increases by more than 7 times with corresponding values of 0.19, 0.69, and 1.4. Meanwhile, that of 45′4" to 44′4" are found to be 0.61, 0.87, and 1.23 (doubled), respectively. A theoretical model built to explain the experimental results with the considerations of optical pumping effect, two-photon transition probability, dephasing rate, and integration all over the velocity distribution. The simulation and experimental results are well-agreed.

Optics Express•Aug 11, 2020•3 citations

铯原子电磁诱导透明光谱特性研究

王延正 Wang Yanzheng, 武博 WU Bo, 付云起 Fu Yunqi +1 more

电磁诱导透明（EIT）现象是里德堡原子实现微波测量的基础，EIT光谱特性直接影响了微波场的测量精度。实验研究了耦合光拉比频率、探测光拉比频率以及原子气室温度对铯原子EIT光谱特性的影响，并从光学双稳态、原子间碰撞及原子密度变化等方面进行了理论分析。研究结果表明：随着耦合光拉比频率的增大，EIT光谱的宽度及不对称度呈现先增大后稳定的趋势；随着探测光拉比频率的增大，EIT光谱的宽度单调增大且拟合斜率随耦合光拉比频率的增大呈现先增大后稳定的趋势，而不对称度则出现增大、减小和增大、减小、增大两种变化趋势；随着原子气室温度的升高，二者呈现先增大后减小的趋势。该工作有利于优化量子微波测量装置的实验参数，提高微波测量灵敏度且有利于促进量子微波测量技术的实际应用。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•6 citations

Magnetic splitting of electromagnetically induced transparency and absorption spectra in a standing-wave coupled lambda-type system

Bakht Hussain, Khan Sadiq Nawaz, Muhammad Ilyas +2 more

Abstract We study the splitting of traveling wave and standing wave coupled Electromagnetically Induced Transparency (EIT) and Electromagnetically Induced enhanced Absorption (EIA) lines in the presence of a uniform magnetic field in an Electromagnetically Induced Grating (EIG). We realize a Λ-type system in a room-temperature Doppler-broadened buffer-gas-free, unshielded vapor cell of pure 133Cs atoms. Different orientations of the magnetic field are studied while the polarizations of the coupling and probe laser beams are arranged in the lin⊥lin configuration. The effects of the different field directions on the EIT and the EIG-induced EIA are explained in light of the existing theory. The magnetically induced high-contrast features in the EIG scheme are also discussed in comparison to the low-contrast EIT features observed for the same strengths of magnetic field.

Physica Scripta•Apr 5, 2024•3 citations
本文中描述利用里德堡原子构建光学原子天线并开展鱼类放电特征信号的模拟测量。实验中采用级联双光子激发方案制备铯（133Cs）里德堡原子，利用反向共线光路获得消多普勒效应的电磁感应透明（electromagnetically induced transparency，EIT）光谱。电场中的里德堡原子有较强的Stark频移效应，原子能级频移通过单光子频率失谐引起EIT幅度变化。我们优化了原子天线工作于电场强度响应的近线性区域，利用EIT光谱技术测量时间相关的脉冲电场信号，测量并表征了多种鱼类放电特征信号。
量子亏损是碱金属原子低轨道角动量的特有性质，它主要源于最外层电子轨道与离子实相互作用所引起的能量变化，导致碱金属低轨道角动量态的能量与氢原子相应能级相比产生较大的频移。在里德堡原子波函数的数值计算过程中，量子亏损会影响里德堡能级的精确值，从而影响波函数的计算精确度，对于里德堡原子的极化率计算、基于里德堡原子的微波电场测量等理论研究和实验测量精确度的提高有重要的意义。原子的电磁诱导透明效应（Electromagnetically-Induced-Transparency，EIT）提供了一种实现精密测量里德堡能级的技术手段。通过双光子激发方法将室温蒸汽池中的原子激发到里德堡态，利用电磁诱导透明光谱测量了nD5/2和nD3/2态（50≤n≤70）的精细结构分裂，进而拟合获得了铯原子nD里德堡态的量子亏损。通过分析铯里德堡原子nD态精细结构分裂的测量误差，去除了里德堡原子相互作用引起的能级频移，提高了铯里德堡nD态量子亏损测量的精确度。
提出一种基于里德堡原子的可直接溯源至基本物理常数的0.1~0.5 THz太赫兹场强测量系统设计。热里德堡原子光谱对太赫兹电场进行探测时，利用量子相干效应得到电磁感应透明（Electromagnetically Induced Transparency，EIT）光谱；利用理论计算得到0.1~1.5 THz频段内存在大量频点可耦合电偶极矩大的里德堡跃迁，并使EIT光谱透射峰发生Autler-Townes劈裂（AT splitting），即证明利用里德堡原子可以实现宽频带范围内的准连续测量；最终利用同一原子气室实现了0.1~0.5 THz频段内多个频点太赫兹电场探测，且一定范围内测得AT劈裂宽度随作用在气室上的场强增大。可见，里德堡原子具有宽频带范围内高灵敏度太赫兹场探测能力，为里德堡原子在太赫兹雷达、安全检查、生物研究等方面的微弱太赫兹信号测量以及太赫兹计量的应用奠定了基础。
基于里德堡原子的微波电场测量技术，利用电磁感应透明光谱（Electromagnetically induced transparency，EIT）和（Autler-Townes，AT）分裂光谱实现微波电场强度测量。EIT-AT光谱测量要求微波-原子耦合的拉比频率大于EIT线宽，这会限制弱场条件下微波场强的测量和溯源。本文提出利用参量技术调谐微波与原子的耦合特性，采用参量放大的EIT-AT过程实现微弱微波电场拉比频率测量。文章首先通过微波场相位调制引入调控参量，模拟给出微波-里德堡原子耦合的拉比共振效应；进一步设计拉比共振的光谱测量方案，计算模拟弱电场条件下参量过程的里德堡原子光谱特性。基于参量放大的光谱技术，将传统微波强度所用的EIT-AT光谱分裂测量转化为EIT强度测量，该光谱技术允许在弱场强条件下开展微波测量和溯源。
The effect of polarization on the ladder-type electromagnetically induced transparency (EIT) spectra of 133Cs atoms at room temperature for the transitions 62P1/2-62P3/2-112S1/2 is experimentally studied. The entire spectra with additional peaks arising from the Doppler effect are observed. As the relative angle between the probe’s and coupling’s plane of polarization arranges at 0°, 45°, and 90°, the peak height ratio of 44′3" to 44′4" increases by more than 7 times with corresponding values of 0.19, 0.69, and 1.4. Meanwhile, that of 45′4" to 44′4" are found to be 0.61, 0.87, and 1.23 (doubled), respectively. A theoretical model built to explain the experimental results with the considerations of optical pumping effect, two-photon transition probability, dephasing rate, and integration all over the velocity distribution. The simulation and experimental results are well-agreed.
电磁诱导透明（EIT）现象是里德堡原子实现微波测量的基础，EIT光谱特性直接影响了微波场的测量精度。实验研究了耦合光拉比频率、探测光拉比频率以及原子气室温度对铯原子EIT光谱特性的影响，并从光学双稳态、原子间碰撞及原子密度变化等方面进行了理论分析。研究结果表明：随着耦合光拉比频率的增大，EIT光谱的宽度及不对称度呈现先增大后稳定的趋势；随着探测光拉比频率的增大，EIT光谱的宽度单调增大且拟合斜率随耦合光拉比频率的增大呈现先增大后稳定的趋势，而不对称度则出现增大、减小和增大、减小、增大两种变化趋势；随着原子气室温度的升高，二者呈现先增大后减小的趋势。该工作有利于优化量子微波测量装置的实验参数，提高微波测量灵敏度且有利于促进量子微波测量技术的实际应用。
Abstract We study the splitting of traveling wave and standing wave coupled Electromagnetically Induced Transparency (EIT) and Electromagnetically Induced enhanced Absorption (EIA) lines in the presence of a uniform magnetic field in an Electromagnetically Induced Grating (EIG). We realize a Λ-type system in a room-temperature Doppler-broadened buffer-gas-free, unshielded vapor cell of pure 133Cs atoms. Different orientations of the magnetic field are studied while the polarizations of the coupling and probe laser beams are arranged in the lin⊥lin configuration. The effects of the different field directions on the EIT and the EIG-induced EIA are explained in light of the existing theory. The magnetically induced high-contrast features in the EIG scheme are also discussed in comparison to the low-contrast EIT features observed for the same strengths of magnetic field.