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基于Rydberg原子的100 kHz~40 GHz超宽带射频传感器.docx
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基于Rydberg原子的100 kHz~40 GHz超宽带射频传感器.docx
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摘要
Rydberg 原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩,利用谐振区的 Autler-Townes 分裂效应和
非谐振区的交流斯塔克(AC Stark)偏移效应,可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精
密测量与通信。在室温铯原子气室中,通过改变耦合光波长,选用∣∣70S1/2⟩70S1/2、
∣∣42D5/2⟩42D5/2 和∣∣30D5/2⟩30D5/2 三个不同的 Rydberg 能级,分别测量了远失谐区
(2 GHz)和谐振区(9.953 GHz 和 29.54 GHz)电磁信号的空间电场强度,并由此计算
出环境散射和气室扰动所产生的衰减因子。同时,实验展示了 Rydberg 原子在宽带频率范
围内的通信应用潜力,研究了远失谐区(2 GHz)、近失谐区(9.5 GHz)和谐振区
(29.54 GHz)电磁信号在不同调制频率下幅度调制和频率调制的信噪比(SNR),并在
此基础上,测量了调制频率为 10 kHz 的幅度调制信号在 100 kHz~40 GHz 超宽带频率范
围内的解调信号 SNR。实验结果表明,Rydberg 原子可以突破传统电子学传感器的工作带
宽限制,在超宽带连续频谱范围内具有电场感知与通信能力。
Abstract
Rydberg atoms have extremely large polarizability and transition dipole moments,
allowing for non-destructive and traceable precise measurement or communications over
ultra-broadband electromagnetic signals by the Autler-Townes splitting effect in the
resonance region and the alternating current Stark (AC Stark) shift effect in the off-
resonance region. In a cesium vapor cell at room temperature, by varying the coupling
laser wavelength, three energy
levels (∣∣70S1/2⟩,∣∣42D5/2⟩,and∣∣30D5/2⟩)70S1/2,42D5/2,and30D5/2 are selected to
measure the spatial electric field strength of electromagnetic signals in the far-off-
resonance region (2 GHz) and the resonance region (9.953 GHz and 29.54 GHz),
respectively. On this basis, the attenuation factors caused by environment scattering and
vapor cell perturbations are calculated. Meanwhile, the potential of Rydberg atoms for
communication applications in the broadband frequency range is demonstrated by
experiments on the variation of the signal-to-noise ratios (SNRs) of electromagnetic
signals with different modulation frequencies under amplitude modulation and frequency
modulation in the far-off-resonance region (2 GHz), near-off-resonance region (9.5 GHz),
and the resonance region (29.54 GHz). Furthermore, for the amplitude modulation signal
with a modulation frequency of 10 kHz, the demodulated signal SNR is investigated in
the ultra-broadband frequency range of 100 kHz-40 GHz. The experimental results reveal
that Rydberg atoms can break the operational bandwidth limit of conventional electronic
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