CN109001137B - 一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法 - Google Patents

一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109001137B
CN109001137B CN201811107209.2A CN201811107209A CN109001137B CN 109001137 B CN109001137 B CN 109001137B CN 201811107209 A CN201811107209 A CN 201811107209A CN 109001137 B CN109001137 B CN 109001137B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
rydberg
absorption
rubidium
microwave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201811107209.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109001137A (zh
Inventor
彭延东
赵树材
周文鹏
杨艾红
李晨
汪金陵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong University of Science and Technology
Original Assignee
Shandong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong University of Science and Technology filed Critical Shandong University of Science and Technology
Priority to CN201811107209.2A priority Critical patent/CN109001137B/zh
Publication of CN109001137A publication Critical patent/CN109001137A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109001137B publication Critical patent/CN109001137B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/3103—Atomic absorption analysis

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

本发明公开了一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，具体步骤为：提供一束激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁；另外提供一束耦合光，与探测光相对，逆向进入铷蒸气池；调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁，共振耦合；铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，出现透射峰；微波信号耦合铷原子里德堡态之间的跃迁；透射峰发生分裂，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线。本发明所公开的方法在室温、正常大气压的条件下工作，成本较低、操作简捷方便，适合大规模生产使用。

Description

一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法
技术领域
本发明涉及一种宽频光吸收方法，尤其涉及一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法。
背景技术
宽频吸收器件在光电探测、光伏发电和光学隐身等方面有重要的应用。原子系统具有相干性强、干涉效应明显、阈值高、易制备等优点，广泛地应用于相干器件设计。里德堡原子，是原子中的一个电子被激发到主量子数较高的轨道上，即处于高激发态时的原子。里德堡原子对电场非常敏感，这是因为，主量子数为n的里德堡原子极化率正比于n7,场电离的电场强度阈值正比于n-4，电偶极矩正比于n2，具有原子寿命长，电偶极矩大等特性，同时对磁场、电场变化敏感。当前在原子分子、光学物理等领域人们所感兴趣的很多实验中都会涉及到里德堡原子，但是现有的宽频吸收器件，要求使用环境比较苛刻，成本比较高，操作比较麻烦。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，它具有操作简单，成本低廉的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，采用铷原子的四能级系统，其原子跃迁路径是5S1/2→5P3/2→53D5/2→54P3/2，具体步骤为：
提供一束激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁5S1/2→5P3/2；
另外提供一束激光作为耦合光，与所述探测光相对，逆向进入铷蒸气池；
调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁5P3/2→53D5/2,共振耦合；
铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，透射光谱共振频率处出现透射峰；
提供微波信号，所述微波信号耦合铷原子里德堡态53D5/2→54P3/2之间的跃迁；
透射峰发生分裂，出现新的吸收峰，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；
使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线。
所述探测光为由第一外腔半导体激光器提供的780nm激光。
所述耦合光为由第二外腔半导体激光器提供的487nm-480nm激光。
所述耦合光为由第二外腔半导体激光器提供的480nm激光。
所述微波信号的频率范围为1GHz-15GHz。
本发明的有益效果：本发明所公开的光吸收方法与其他宽带吸收器相比，可以在室温、正常大气压的条件下工作，不需要严苛的环境条件，成本较低、操作简捷方便，适合大规模生产使用。
附图说明
图1为本发明的实验装置连接图；
图2为里德堡原子能级跃迁图；
图3为里德堡原子的吸收图像。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示为实现本发明的实验装置连接图，一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，采用铷原子的四能级系统，其原子跃迁路径是5S1/2→5P3/2→53D5/2→54P3/2，如图2所示，具体步骤为：
由第一外腔半导体激光器提供的780nm激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁5S1/2→5P3/2；
由第二外腔半导体激光器提供的480nm激光与所述探测光相对，逆向进入铷蒸气池；
调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁5P3/2→53D5/2,共振耦合；
铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，透射光谱共振频率处出现透射峰；
提供微波信号，微波信号的频率范围为1GHz-15GHz，微波信号耦合铷原子里德堡态53D5/2→54P3/2之间的跃迁；
透射峰发生分裂，出现新的吸收峰，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；
使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线。
铷原子基态跃迁5S1/2→5P3/2和铷原子里德堡态跃迁5P3/2→53D5/2两个跃迁过程形成电磁感应透明窗口耦合框架，所以会出现透射峰；加入微波信号，微波信号与铷原子里德堡态53D5/2→54P3/2之间的跃迁耦合后，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性。
里德堡原子是铷原子的高激发态，主量子数n一般大于30，铷原子的基态为5S，铷原子的激发态为5P，铷原子的里德堡态为53D和54P，铷原子里德堡态简称为里德堡原子。
基于激光与物质相互作用的半经典理论，能够使用密度矩阵描述介质的各态的粒子数和相干性，通过求解密度矩阵薛定谔方程的稳态解，可以得到探测光的线性极化率χ：
Figure BDA0001808126810000031
N0是原子数密度，为1.4×1027m-3，Δp是探测场跃迁的失谐量，Δc是耦合场跃迁的失谐量，Δmw是微波场跃迁的失谐量，Ωp、Ωc、Ωmw分别是780nm探测光、480nm耦合光以及微波信号的拉比频率，Γ21是态矢5P3/2到态矢5S1/2的衰减速率，Γ31是态矢53D5/2到态矢5S1/2的衰减速率，Γ41是态矢54P3/2到态矢5S1/2的衰减速率，I代表虚数信号，μ为介质磁导率，ε0为真空介电常数，其近似值为8.854187817×10-12F/m，
Figure BDA0001808126810000032
h为普朗克常数，其近似值为6.6260755×10-34J·s。
通过公式(1)，可以得到吸收色散关系，取Δc＝0、Δmw＝0、Γ21＝1、Γ31＝0.01、Γ41＝0，以Δp为自变量，分别得到Ωc＝Ωmw＝0Ghz、10Ghz、15Ghz时的吸收图像，如图3所示，当Ωc和Ωmw随比例增大时，吸收带宽随之增大。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，采用铷原子的四能级系统，其原子跃迁路径是5S1/2→5P3/2→53D5/2→54P3/2，其特征在于，具体步骤为：
提供一束激光作为探测光进入铷蒸气池，将所述探测光耦合铷原子基态跃迁5S1/2→5P3/2；
另外提供一束激光作为耦合光，与所述探测光相对，逆向进入铷蒸气池；
调节耦合光，使其锁定在铷原子里德堡态跃迁5P3/2→53D5/2,共振耦合；
铷原子基态跃迁和里德堡原子跃迁形成电磁感应透明窗口，透射光谱共振频率处出现透射峰；
提供微波信号，所述微波信号耦合铷原子里德堡态53D5/2→54P3/2之间的跃迁；
透射峰发生分裂，出现新的吸收峰，探测光的透射谱出现带宽可调宽频吸收特性；
使用光电探测器接收探测光信号，获得探测光的吸收谱线；
基于激光与物质相互作用的半经典理论，能够使用密度矩阵描述介质的各态的粒子数和相干性，通过求解密度矩阵薛定谔方程的稳态解，得到探测光的线性极化率χ：
Figure FDA0002756427850000011
N0是原子数密度，为1.4×1027m-3，Δp是探测场跃迁的失谐量，Δc是耦合场跃迁的失谐量，Δmw是微波场跃迁的失谐量，Ωp、Ωc、Ωmw分别是780nm探测光、480nm耦合光以及微波信号的拉比频率，Γ21是态矢5P3/2到态矢5S1/2的衰减速率，Γ31是态矢53D5/2到态矢5S1/2的衰减速率，Γ41是态矢54P3/2到态矢5S1/2的衰减速率，I代表虚数信号，μ为介质磁导率，ε0为真空介电常数，其近似值为8.854187817×10-12F/m，
Figure FDA0002756427850000012
h为普朗克常数，其近似值为6.6260755×10-34J·s；
通过公式(1)，得到吸收色散关系，取Δc＝0、Δmw＝0、Γ21＝1、Γ31＝0.01、Γ41＝0，以Δp为自变量，分别得到Ωc＝Ωmw＝0Ghz、10Ghz、15Ghz时的吸收图像，当Ωc和Ωmw随比例增大时，吸收带宽随之增大。
2.如权利要求1所述的一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，其特征在于，所述探测光为由第一外腔半导体激光器提供的780nm激光。
3.如权利要求1所述的一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，其特征在于，所述耦合光为由第二外腔半导体激光器提供的487nm-480nm激光。
4.如权利要求3所述的一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，其特征在于，所述耦合光为由第二外腔半导体激光器提供的480nm激光。
5.如权利要求1所述的一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法，其特征在于，所述微波信号的频率范围为1GHz-15GHz。
CN201811107209.2A 2018-09-21 2018-09-21 一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法 Expired - Fee Related CN109001137B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811107209.2A CN109001137B (zh) 2018-09-21 2018-09-21 一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811107209.2A CN109001137B (zh) 2018-09-21 2018-09-21 一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109001137A CN109001137A (zh) 2018-12-14
CN109001137B true CN109001137B (zh) 2021-01-05

Family

ID=64592024

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811107209.2A Expired - Fee Related CN109001137B (zh) 2018-09-21 2018-09-21 一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109001137B (zh)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110488266B (zh) * 2019-07-08 2023-03-21 清远市天之衡传感科技有限公司 基于里德堡原子超外差测量的雷达测速系统及测速方法
CN110752883B (zh) * 2019-10-10 2021-08-03 西安电子科技大学 基于里德堡原子跃迁的超低噪声射频接收机的设计方法
CN112824930B (zh) * 2019-11-19 2023-07-11 北京华航无线电测量研究所 一种基于里德堡原子的微波激光双向相干转换装置
CN111308228B (zh) * 2020-01-15 2022-05-20 中国科学院大学 一种塞曼调频提高微波电场强度测量信噪比的方法及装置
CN112561067B (zh) * 2020-10-26 2022-11-15 华南师范大学 基于超导量子比特和里德堡原子的纠缠态制备方法及装置
GB2605650B (en) * 2021-04-09 2023-06-07 British Telecomm Electromagnetic field detector

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2002234129A1 (en) * 2001-01-22 2002-08-06 General Electric Company Method and apparatus for rapid quantitation of a dihydric phenol
CN104991393A (zh) * 2015-08-06 2015-10-21 中国科学院上海高等研究院 基于量子干涉的任意波形电光调制器
CN106932657A (zh) * 2017-05-08 2017-07-07 山东科技大学 利用双暗态系统测量微波电场的方法
CN107179450A (zh) * 2017-05-31 2017-09-19 华南师范大学 一种微波电场强度测量方法和测量装置
CN107329006A (zh) * 2017-05-31 2017-11-07 华南师范大学 一种微波电场强度测量方法及测量装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2002234129A1 (en) * 2001-01-22 2002-08-06 General Electric Company Method and apparatus for rapid quantitation of a dihydric phenol
CN104991393A (zh) * 2015-08-06 2015-10-21 中国科学院上海高等研究院 基于量子干涉的任意波形电光调制器
CN106932657A (zh) * 2017-05-08 2017-07-07 山东科技大学 利用双暗态系统测量微波电场的方法
CN107179450A (zh) * 2017-05-31 2017-09-19 华南师范大学 一种微波电场强度测量方法和测量装置
CN107329006A (zh) * 2017-05-31 2017-11-07 华南师范大学 一种微波电场强度测量方法及测量装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于里德堡原子的电场测量;黄巍等;《物理学报》;20150823;第64卷(第16期);第160702-1-8页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN109001137A (zh) 2018-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109001137B (zh) 一种利用微波辅助里德堡原子的宽频光吸收方法
Wang et al. Near resonant and nonresonant third-order optical nonlinearities of colloidal InP/ZnS quantum dots
Koss et al. Experimental observation of wannier levels in semi-insulating gallium arsenide
Van Mechelen et al. Quantum gyroelectric effect: Photon spin-1 quantization in continuum topological bosonic phases
CN109037962A (zh) 双频石墨烯可调太赫兹吸收器
Long et al. Magnetopolaritons in Weyl semimetals in a strong magnetic field
Agranovich et al. On phenomenological electrodynamics of gyrotropic media
Carbotte et al. Evidence for d-wave superconductivity in YBa 2 Cu 3 O 7− δ from far-infrared conductivity
Basista et al. Far-infrared optical properties of tetrathiofulvalene-tetracyanoquinodimethane (TTF-TCNQ)
Grigorenko et al. Stochastic resonance at higher harmonics in monostable systems
Huang et al. Stark tuning of telecom single-photon emitters based on a single Er3+
Liu et al. Graphene-based polarization-sensitive longwave infrared photodetector
Pukhov et al. Radiative transitions in nanocrystals
WO2023216681A1 (zh) 基于微波谐振电路读出的太赫兹石墨烯约瑟夫森结探测系统
Liao et al. Tunable magnomechanically induced transparency and fast-slow light in a hybrid cavity magnomechanical system
Aytac et al. Probing the free-carrier absorption in multi-layer black phosphorus
Li et al. Electrically driven active VO2/MXene metasurface for the terahertz modulation
Ge et al. Solar-blind UV photoelectric properties of pure-phase α-Ga2O3 deposited on m-plane sapphire substrate
Gao et al. Infrared and microwave properties of polypyrrole/multi-walled carbon nanotube composites
Wu et al. Rydberg Atomic Sensor Sensitivity Optimization Using Detuned Microwave Field
Margulis et al. Hybrid-phonon resonance in a three-dimensional anisotropic quantum well
Volokitin et al. Quantum Vavilov-Cherenkov radiation from shearing two transparent dielectric plates
CN111710984A (zh) 一种宽频超材料吸波器的设计
Rahman et al. Polarization state and image rotation via spontaneously generated coherence in a spinning fast light medium
Yang et al. Bias-driven terahertz negative conductivity and transmission enhancement

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210105

Termination date: 20210921

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee