基于Rydberg 原子天線的太赫茲測量*

陳志文 佘圳躍 廖開宇 黃巍 顏輝 朱詩亮

(華南師范大學物理與電信工程學院， 廣東省量子調控工程與材料重點實驗室， 廣州 510006)

1 引 言

1.1 電磁場的量子精密測量技術

Rydberg 原子是指主量子數 n ＞ 10 的高激發態原子， Rydberg 原子的電偶極矩相對低激發態大2—3 個數量級( ∝ n2)[1]， 因此對微波和太赫茲波的電場具有極高的靈敏度， 能夠實現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躍遷頻率0.3—1.5 THz 范圍內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耦合， 會使得Rydberg能級參與的電磁誘導透明(electromagnetically induced transparency， EIT)效應的透明峰產生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度的大小， 從而將強度測量利用量子干涉效應轉化為頻率測量， 實現可溯源高靈敏的電磁波電場強度測量.

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) 實驗測量裝置圖[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 效應和微波作用下的AT 分裂， 實現對微波電場強度的精密測量.所能探測的最小場強約為8 μ V/cm ， 測量靈敏度達30 μ V·cm-1·Hz-1/2.相關實驗能級圖與裝置圖如圖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， 觀測到標準的級聯三能級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，微波電場強度大小 | E| 可表示為

其中， ? 是普朗克常數， 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， 該方法把電場強度測量轉化為頻率測量.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度， 能夠有效溯源到國際計量標準SI.2007 年， 英國杜倫大學Mohapatra 等[4]利用EIT 效應實現了高激發Rydberg 態的相干光探測.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到0.5°.2014 年， Shaffer 小組[6]利用Rydberg原子實現微波電場亞波長成像， 同年美國國家標準與技術研究院(NIST) Holloway 小組[7]利用寬帶Rydberg 原子電場探頭實現自校準測量及亞波長成像， 進而實現毫米波探測[8]， 以及利用Rydberg原子的EIT 效應和AT 分裂進行亞波長分辨率的場強測繪， 對17.04 和104.77 GHz 的射頻電場成像， 空間分辨率達到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大小的影響.2016 年他們使用菱形原子泡測量射頻場時發現氣室的折射率變化會導致探測光的偏轉[11].2017 年他們又使用頻率調制技術在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現場強精密測量， 測量靈敏度可以達到 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， 使用外差檢測實現了對弱電場的測量， 頻率分辨率優于1 Hz.同年， 中國計量研究院宋振飛等[15]使用連續可調諧射頻載波信號實現了基于Rydberg 原子的數字通信， 證實原子天線的載波頻率可以連續調諧至200 MHz.2020 年， 山西大學賈鎖堂研究組[16]采用量子超外差的方法將微波場強測量的靈敏度提高到了55 n V·cm-1·Hz-1/2[16].同年， 華南師范大學廖開宇等[17]利用冷Rydberg 原子電磁誘導吸收實現微波電場測量等.

1.2 太赫茲技術及應用前景

太赫茲(THz)波一般是指頻率在0.1—10 THz范圍內的電磁波， 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.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略資源，而太赫茲波是電磁空間惟一亟待開發利用的頻譜資源， 因此世界各國高度重視.最近， 太赫茲技術已經在很多領域得到了發展和應用[18].例如， 利用太赫茲對非金屬和非極性物質的高透過性， 可用于安檢、遙感、火場救護、戰場尋敵等; 利用太赫茲波能量低、不電離特性， 可用于醫學影像; 大分子的振轉躍遷頻率處于太赫茲范圍內， 利用其光譜特性可以實現對炸藥、毒品等物質的識別分類; 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星通信的指定頻段.

隨著量子物理的廣泛應用與原子光譜技術的成熟， 國際上有研究組利用Rydberg 原子對電磁場具有的極高靈敏度， 采用量子干涉效應實現了對太赫茲場強的測量.與傳統技術相比， 基于Rydberg原子的太赫茲技術具有測量準確度高、自校準、可溯源、空間分辨率高以及可實時成像等優勢， 非常有希望突破已有太赫茲技術在太赫茲探測計量、太赫茲通信、太赫茲高速成像等應用方向面臨的瓶頸， 發展出新一代的太赫茲量子器件和新型太赫茲設備.

2 基于Rydberg 原子的太赫茲測量技術

2.1 太赫茲場強測量

近年發展起來的基于Rydberg 原子的量子干涉效應測量電磁波電場強度的技術已經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現對微波場強精密測量.該技術在太赫茲頻域同樣適用， 理論上能覆蓋0.1—10 THz 全頻域， 測量靈敏度遠高于現有的太赫茲探測技術.杜倫大學Weatheril 小組使用三光子Rydberg 態EIT 測量了頻率為0.634 THz的太赫茲場強[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 光波數分別為 kp=2π/ (852 nm)， kc=2π /(1470 nm)， kR=2π/ (799 nm).對應的拉比頻率分別為 Ωp， Ωc和 ΩR， Rydberg 光失諧為 ΔR.為了進一步研究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 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 態三步激發能級圖; (b) 當Ωp =Ωc =2π×5 MHz， Ω R =2π×8.4 MHz，ΩT =2π×[0， 10， 30，50]MHz 時， 利用5 能級光學布洛赫模型擬合Rydberg EIT-AT 分裂(彩實線)及對應的洛倫茲線性擬合(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 場強測量 (a) 當ΩT =0時， 使用單洛倫茲線性擬合EIT 透射峰; (b) 當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 Ω T/2π=(5.2±1.4) MHz 時， 使用雙 洛倫茲 線性擬合EIT-AT 分裂峰; 下方數據為各自對應的擬合殘差[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， 實驗探測到的三光子EIT譜線如圖4(a)所示.使用 F WHM=(8.4±1.6) MHz的洛倫茲線形進行擬合， 擬合誤差很小， 說明該模型與實驗數據符合得很好[23].打開太赫茲場后， 以FWHM 作為自由參數的單個洛倫茲線型進行擬合(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， 這時理論模型和實驗數據具有較大偏差.隨后使用雙洛倫茲線型擬合數據(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置為自由參數， 擬合誤差結果表明， 該模型與實驗數據匹配得較好.提取EIT 峰劈裂對應的太赫茲場拉比頻率ΩT/2π=(5.2±1.4)MHz， 可以計算得到太赫茲場的場強為(25±5)mV·cm-1.

特定的Rydberg 態只能耦合到少數幾個接近共振的太赫茲頻率， 但可以選擇不同的Rydberg態來耦合不同的頻率， 實現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和功率計量標準的理想候選者[25].

2.2 太赫茲近場高速成像

將難以探測的太赫茲信號轉換為其他容易探測的信號， 例如電信號等， 是目前實現太赫茲探測的基本技術路線， 利用Rydberg 原子同樣可以實現這樣的太赫茲轉化探測過程， 并能夠實現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現了對太赫茲場強的空間可分辨探測和成像[26，27].但是這一技術對Rydberg原子是破壞性的， 只能進行單次成像， 離子成像的分辨率也不高.

2016 年， 杜倫大學Weatherill 小組[28]采用太赫茲抽運Rydberg 原子， 通過對自發輻射產生的可見光波段熒光進行成像的方法， 實現了太赫茲駐波場強空間分布的近場實時成像.實驗裝置示意圖如圖5(a)所示， 紅外激光束與THz 波束同軸對準， 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到 2 1S1/2的Rydberg 態， 并在可見光波段發出熒光， 如圖5(d)所示.激光束和太赫茲波水平穿過成像區， 部分太赫茲波被反射從而產生駐波干涉結構， 圖5(b)為形成的干涉圖樣.圖像獲取時間由熒光強度、相機靈敏度和信噪比決定.使用商用CCD 相機， 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 源與攝像機的快門同步門控， 因此幀數會交替顯示該駐波場存在或消失.這種成像技術無需多次重復采集數據或者掃描探測器位置， 因此成像是實時的.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) 實驗系統裝置; (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的躍遷偶極矩; (d) 銫原子能級激發圖; (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 校準技術， 對一小部分像素求平均值以找到歸一化的相機信號， 其中紅、黃、藍代表相機不同通道采集的數據.在太赫茲源處使用衰減器來控制太赫茲強度.當太赫茲場的強度為零時， 非共振激光激發到 2 1P3/2態會產生弱的背景熒光， 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校準和做背景熒光測量.CCD 相機獲得的圖像像素亮度與THz 電場強度成正比， 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， 而且與傳統掃描探針測繪太赫茲場強空間分布時花費數十小時獲取圖像的技術相比具有顯著優勢[29-31].

2020 年， Weatherill 小組[32]在太赫茲成像領域進一步推進了相關工作， 用Rydberg 原子實現了THz 場到光場的非相干轉換， 從而可使用商用相機通過收集Rydberg 原子的自發輻射熒光信號實現超高速圖像采集.三步激發將原子制備到14P3/2態， 過程如圖7(a)所示.共振THz 場將原子 從 1 4P3/2態抽運到鄰近的 1 3D5/2態.1 3D5/2態Rydberg 原子自發輻射出綠色熒光(535 nm)下落回中間態 6 P3/2， 自發輻射出的熒光可通過光學傳感器進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.

成像系統設置如圖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， 光束經過扁平整形， 在xy 平面上形成100 μ m 厚的激發原子面.低功率連續THz 波(在0.55 THz時功率達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 成像系統將THz 圖像投影到激發原子面上.在激光與太赫茲場重疊區域內， 原子發出的熒光被CCD 相機收集.同時使用窄帶濾光片進行濾波， 以最大程度減少到達相機的背景熒光.如圖7(d)中的示意圖所示， 通過在成像目標平面上放置一個金屬掩模改變太赫茲場強的空間分布圖像， 利用Rydberg 原子自發輻射的綠色熒光來獲取高分辨率的“ Ψ ”形圖像.

為了驗證成像系統的高速性能， 演示了在高幀速率下的THz 動態成像.圖8(a)為光學斬波片旋轉速率為700 r/min 時的運動， 成像幀數在3 kHz.圖8(b)為幀數在500 Hz 時的水滴下落情況.與其他太赫茲成像系統相比， 它的速度和靈敏度(最小

探測功率可以達到 ( 0.12±0.02) m W·m-2·s-1/2)都有了顯著提高， 通過相對簡單的調整有希望進一步提高成像性能.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， 從而提高圖像質量; 通過使用更先進的太赫茲透鏡系統來提高圖像分辨率;通過使用更大的銫泡腔室來擴展THz 傳感器的面積， 以形成更大的原子激發面， 提升成像區域.這種基于Rydberg 原子太赫茲成像技術的多功能性和高靈敏度， 在生物成像和生產線質量控制等領域擁有重大的應用價值[33-35].

圖6 太赫茲場強校準 (a) 利用EIT 效應測量THz 場強; (b) 相機校準， 相機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)和關閉(橙色)時的熒光光譜信號;(c) 實驗裝置圖; (d) 放置在成像目標位置處的金屬掩模[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 轉速下的光學斬波片運動; (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

太赫茲通信技術是當今世界各科技強國爭先搶占的科學技術制高點.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勢.與激光通信相比， 太赫茲通信對平臺穩定度和跟瞄要求較低.國際聯盟指定的下一代無線通信和衛星通信頻段中就包括了太赫茲頻段.太赫茲通信技術雖然具有遠大的應用前景， 但是現有技術仍存在著若干問題.基于Rydberg 原子的太赫茲數字通信， 有望實現多路轉換、多路復用、多路并行的快速通信， 可以避免傳統天線中的熱噪聲[36]， 大幅度提高太赫茲通信距離.2018 年， 美國陸軍研究實驗室Meyer等[37]演示了幅度調制微波通信， 該技術可以推廣到太赫茲頻段的數字通信.

Rydberg 原子數字通信的實驗裝置和能級系統示意圖如圖9(a)和圖9(b)所示.在發送端， 將通信的基帶數字信號混合到與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生EIT-AT 分裂， 將接收到的頻帶信號轉化為探測光的振幅相位 φμ.外部利用外差探頭， 經過鎖相放大器進行相位解調:φμ=arctan(VQ/VI)， 把相位信息轉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)給出了在解調后的同向電壓信號 VI與5 種不同編碼相位的實例.在此基礎之上， 他們通過改變調制相位， 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， 6 P3/2( F′=5) 為 | 2〉 態， 2 5S1/2與 2 5P3/2為Rydberg 的 |3〉 態和 |4〉 態.探測光波長為852 nm，耦合 | 1〉?|2〉 態躍遷， 對應的拉比頻率為 Ωp.耦合光波長為515 nm， 對應的拉比頻率為 Ωc， 耦合|2〉?|3〉態躍遷.選取338.75 GHz 大小的THz 場用于耦合兩個Rydberg 態 | 3〉?|4〉 ， 對應的躍遷拉比頻率為 ΩT.

四能級哈密頓量 H4-level表述如下:

圖9 基于Rydberg 原子天線的數字通信 (a) 實驗裝置圖; (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 (藍色)和AT 分裂(綠色); (f) 5 種不同編碼實例; (g) 接收到的8PSK 相位信息; (h) 8PSK 相位信息對應的相位軌跡[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/? 以及對應的失諧 Δp=ωp-ω12，Δc=ωcω23， ΔT=ωT-ω34.探測光為弱場， 當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 劈裂的數值計算結果如圖10(b)所示.對太赫茲載波進行幅度調制， 所獲得的EIT 信號也會帶有調制信息.由EIT信號的幅度變化可得到幅度調制的信息.通過鎖相放大器調制解調， 可得到相位信息.由此可實現數字通信中的移相鍵控、正交振幅調制等常用編碼方法的信息接收和讀取.

2.4 華南師范大學Rydberg 太赫茲測量進展

Rydberg 太赫茲實驗裝置如圖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.實驗所用的能級圖如圖10(a)所示.實驗中利用飽和吸收穩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)中的黑色實線為探測到的EIT 信號.調節太赫茲頻率至338.75 GHz， 耦合Rydberg 能級為 2 5S1/2→25P3/2.當太赫茲場作用時， 原Rydberg 三能級系統的EIT 透明窗口發生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、綠色實線所示.

圖10 (a) Rydberg 四能級系統; (b) 當電磁場拉比頻率為 Ω T =2π×[0， 1， 2.5， 5] MHz 時， 分別對應的EIT-AT 分裂模擬(黑色、紅色、藍色、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 太赫茲實驗裝置示意圖; (b) 實驗中測到的不同太赫茲電場強度下的EIT 信號(黑色實線， 太赫茲場關閉;黃、粉、綠色實線， 增大信號源功率分別對應的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， 利用量子干涉效應可實現對該頻段電磁波場強的高靈敏探測， 理論上靈敏度可達到遠高于現有探測技術的水平.因此在微波尤其是太赫茲頻域， 基于Rydberg 原子量子效應的電磁場探測及精密測量技術在太赫茲的場強和功率計量、太赫茲通信和太赫茲成像等方面有著巨大的應用前景.太赫茲技術被譽為“改變未來世界的十大技術”之一， 在安檢、質檢、火場救援、醫學成像、無線通信和衛星通信等方面有著廣闊的應用前景， 是美歐日等科技強國爭奪的重點領域.太赫茲技術需要綜合多個學科， 發展跨領域的技術， 現有的太赫茲技術仍存在著難以突破的瓶頸.隨著量子物理的廣泛應用與原子光譜技術的成熟， 國際上有研究組利用Rydberg 原子對電磁場具有的極高靈敏度， 采用量子干涉效應實現了對太赫茲場強的測量.與傳統技術相比， 基于Rydberg 原子的太赫茲技術具有測量準確度高、自校準、可溯源、空間分辨率高、可實時成像等優勢， 非常有希望突破已有太赫茲技術在太赫茲探測和計量、太赫茲通信、太赫茲高速成像等應用方向面臨的瓶頸， 發展出新一代的太赫茲量子器件和新型太赫茲設備.