基于里德堡原子天线的微波相位噪声影响测量研究.pdf

摘要

微波电磁场的精密测量在天线计量、遥感、雷达等诸多领域具有重要

的应用。近年来，基于里德堡原子的量子传感器受到广泛关注，与传统的

微波传感器相比，基于里德堡原子的原子天线在传感带宽、极限灵敏度等

方面具有显著的优势；基于里德堡原子天线的电场计，可以实现全频段的

电磁场强度、相位、极化等参数测量。本文理论与实验研究了基于里德堡

原子的微波测量光谱技术、传感参数依赖等。论文主要内容如下：

第一章为绪论部分，主要介绍基于里德堡原子的微波测量研究进展；

介绍电磁感应透明（ElectromagneticallyInducedTransparency，EIT）光谱、

Autler-Townes(AT)光谱、偏振光谱等。

第二章为理论基础部分，主要介绍了通过探测光透射光谱表示阶梯型

里德堡系统中原子对探测光的吸收及相关实验理论分析。分析了四能级里

德堡原子系统中里德堡量子态的制备原理，简单介绍室温热原子的里德堡

原子的微波传感原理，通过辅助场调控原子态抑制热原子的不均匀展宽，

优化原子与微波场相互作用特性；理论分析了在四能级里德堡原子系统中，

基于里德堡原子微波混频的原理及参考场强度和相位噪声对混频信号的影

响。

第三章介绍了基于里德堡原子构建原子混频器。研究微波强度以及相

位噪声对里德堡原子天线微波混频的影响。在室温铯原子气室中，利用

-态里德堡原子电偶极跃迁实现频率13.806057GHz与

13.806000GHz的微波场混频；通过阶梯型里德堡EIT光谱研究了混频信号

强度的参数依赖关系；实验发现，原子天线微波混频信号强度与参考场的

功率有关，优化功率参数条件下，参考场可以实现约20dB的混频信号增

强。原子天线微波混频信号强度与混频微波场相位噪声有关，实验发现，

微波场的相位噪声会导致混频信号强度显著降低。

第四章介绍了四能级里德堡原子系统的微波测量。实验演示了四能级

系统里德堡原子量子态的制备与检测，当耦合光功率较强导致原子气室中

存在不均匀展宽效应时，引入辅助场调控里德堡原子恢复对微波的吸收。

I

本论文的创新工作如下：

(1)研究了里德堡原子混频器的噪声响应特性。通过微波场调制引入强

度噪声、相位噪声等，通过超外差光谱研究原子天线的噪声响应特

性，理论分析并模拟相关参数依赖关系。

(2)通过自制激光系统构建四能级里德堡原子天线系统，利用辅助场缀

饰方案抑制室温原子气室的不均匀展宽效应，实现原子态的微波场

吸收特性调控。

关键词：铯原子；电磁感应透明；里德堡原子天线；微波混频信号；相位

噪声

II

目录

中文摘要I

英文摘要III

第1章绪论1

1.1里德堡原子1

1.1.1里德堡原子的特性1

1.1.2里德堡原子微波测量研究进展2

1.2里德堡原子光谱4

1.2.1EIT光谱4

1.2.2Autler-Townes分裂光谱5

1.2.3偏振光谱5

1.3里德堡原子混频器微波相位影响测量研究进展6

1.4本章小结6

第2章理论基础9

2.1阶梯型三能级里德堡系统9

2.2四能级里德堡原子系统12

2.2.1里德堡原子的量子态制备与检测13

2.2.2辅助场调控里德堡原子的量子态17

2.3基于里德堡原子天线的微波混频17

2.4本章小结21

第3章基于里德堡原子天线混频的微波相位噪声影响测量23

3.1里德堡激光系统及实验光路23

3.1.1852nm激光24

3.1.2509nm激光25

3.1.3