成永杰 靳 剛 劉星汛 齊萬(wàn)泉 何 軍

(1.北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100039；2.山西大學(xué)光電研究所，量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030006；3.山西大學(xué)，教育部山西省省部共建極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，山西太原 030006)

1 引 言

場(chǎng)強(qiáng)是無(wú)線電計(jì)量的七個(gè)基本參數(shù)之一。目前微波電場(chǎng)測(cè)量與校準(zhǔn)通常采用偶極天線等傳統(tǒng)傳感器設(shè)備。受測(cè)量原理和探頭結(jié)構(gòu)限制，此類設(shè)備存在一定缺陷，難以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)高靈敏度、高分辨率、高準(zhǔn)確度測(cè)量；更重要的是，由于采用級(jí)聯(lián)校準(zhǔn)，這些設(shè)備的溯源途徑也存在一定局限性。

里德堡原子制備方案中，常見的制備方式主要有二種：?jiǎn)喂庾蛹ぐl(fā)、級(jí)聯(lián)雙光子激發(fā)。對(duì)堿金屬銫原子，單光子激發(fā)方案通常采用1560nm和1077nm激光分別放大并和頻后得到638nm激光，然后由638nm激光倍頻得到319nm紫外激光，利用單步激發(fā)實(shí)現(xiàn)原子的里德堡態(tài)制備，該方案可以獲得kHz量級(jí)的激光線寬，但系統(tǒng)復(fù)雜，機(jī)械穩(wěn)定性差。級(jí)聯(lián)雙光子激發(fā)方案通常采用1018nm半導(dǎo)體激光器作為種子源，激光放大后利用非線性晶體倍頻獲得509nm激光。利用(509+852)nm雙光子激發(fā)實(shí)現(xiàn)原子里德堡態(tài)制備。該方案中509nm激光要求種子源-放大-倍頻等多個(gè)光學(xué)模塊，技術(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)龐大，價(jià)格昂貴，機(jī)械穩(wěn)定性較差。隨著外腔半導(dǎo)體激光技術(shù)的快速發(fā)展，Avramescu小組采用524nm半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)了50mW綠光激光功率輸出。該工作的實(shí)現(xiàn)，提供了一種直接獲得短波長(zhǎng)綠光激光系統(tǒng)的技術(shù)方案，有希望替代傳統(tǒng)頻率轉(zhuǎn)換方案的綠光激光系統(tǒng)，應(yīng)用于泵源、傳感、精密測(cè)量、海底通信等領(lǐng)域。

目前，受限于半導(dǎo)體材料技術(shù)，綠光半導(dǎo)體激光二極管的工作波長(zhǎng)范圍在(510～515)nm，對(duì)于截止波長(zhǎng)增益區(qū)外的綠光激光系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有公開報(bào)道。本文選擇特定510nm半導(dǎo)體激光管，通過(guò)溫度控制激光二極管工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)增益區(qū)域的藍(lán)移，獲得509nm的高增益單頻激光。采用Littorw型光柵外腔反饋技術(shù)，實(shí)現(xiàn)509nm激光線寬的MHz壓窄，獲得波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的單頻509nm激光。輸出激光典型功率～80mW?；谠摷す庀到y(tǒng)，結(jié)合852nm激光，實(shí)現(xiàn)了銫原子里德堡態(tài)激發(fā)，并獲得了50D和50S里德堡態(tài)EIT光譜，驗(yàn)證了激光系統(tǒng)的性能指標(biāo)，為開展基于里德堡原子EIT-AT效應(yīng)的微波電場(chǎng)測(cè)量提供了一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠的509nm綠光激光系統(tǒng)。

2 微波電場(chǎng)測(cè)量原理

銫(Cs)原子能級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微波電場(chǎng)測(cè)量方案中,功率較弱的852nm探測(cè)光共振于銫原子6S到6P躍遷線，實(shí)現(xiàn)中間態(tài)原子布居；功率較強(qiáng)的509nm耦合光泵浦6P態(tài)原子到里德堡態(tài)，通過(guò)強(qiáng)耦合實(shí)現(xiàn)原子6P態(tài)和

n

D態(tài)綴飾。綴飾態(tài)的量子干涉會(huì)導(dǎo)致原子躍遷通道干涉相消，進(jìn)而導(dǎo)致852nm探測(cè)光吸收減弱，即透射增強(qiáng)的EIT光譜。

圖1 銫原子四能級(jí)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle for four-level system of 133Cs atom

基于里德堡原子量子干涉效應(yīng)的微波電場(chǎng)測(cè)量原理如圖2所示，852nm探測(cè)光和509nm耦合光相向傳播作用于銫原子蒸氣室中。當(dāng)探測(cè)光與耦合光共振于銫原子能級(jí)時(shí)，探測(cè)光激光在共振頻率附近產(chǎn)生階梯型三能級(jí)EIT。

圖2 里德堡原子微波電場(chǎng)測(cè)量裝置原理圖Fig.2 Experimental setup for microwave electric field measurement using Rydberg atom

當(dāng)沒(méi)有微波電場(chǎng)作用時(shí)，探測(cè)光光譜信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的階梯型能級(jí)EIT透射譜，如圖3所示。當(dāng)施加微波電場(chǎng)與里德堡原子鄰近能級(jí)共振時(shí)，由于微波場(chǎng)的強(qiáng)耦合導(dǎo)致里德堡原子Aulter-Townes(AT)分裂，進(jìn)而在852nm探測(cè)光的EIT透射峰出現(xiàn)AT分裂，如圖4所示，該分裂大小依賴于施加的微波電場(chǎng)大小。AT分裂寬度

Δf

與外加微波電場(chǎng)的關(guān)系可以表示為

(1)

從式(1)可知，

Δf

與微波電場(chǎng)成正比，可以將微波電場(chǎng)測(cè)量轉(zhuǎn)化為分裂頻率的精確測(cè)量。

圖3 無(wú)微波場(chǎng)作用時(shí)的EIT透射譜波形圖Fig.3 Spectrum of EIT signal(RF off)

圖4 微波場(chǎng)作用時(shí)EIT-AT分裂信號(hào)波形圖Fig.4 Spectrum of EIT-AT signal(RF on)

3 激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案及結(jié)果

3.1 509nm綠光激光系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

對(duì)于銫原子級(jí)聯(lián)雙光子兩步激發(fā)方案，需要利用高功率的509nm綠光作為耦合光。509nm綠光通常采用1018nm激光通過(guò)激光放大和激光倍頻來(lái)實(shí)現(xiàn)，該方案技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格高昂，系統(tǒng)體積龐大，不利于實(shí)用和集成化。所以急需一種新的光源產(chǎn)生方案，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠的509nm綠光激光系統(tǒng)。

通過(guò)激光二極管參數(shù)對(duì)比優(yōu)化，選擇波長(zhǎng)增益區(qū)(510～515)nm激光二極管，利用精密溫控技術(shù)實(shí)現(xiàn)二極管截止波長(zhǎng)區(qū)域外的有效增益，實(shí)現(xiàn)高性能509nm綠光激光輸出。509nm綠光激光系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，該激光系統(tǒng)包含509nm激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、光柵、全反鏡。509nm綠光激光二極管輸出光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，該準(zhǔn)直透鏡鍍有(500～520)nm波長(zhǎng)的增透膜，以減小激光器內(nèi)腔損耗。準(zhǔn)直后的平行光經(jīng)過(guò)光柵衍射，一級(jí)衍射光反饋回激光二極管形成選膜外腔，零級(jí)衍射光直接輸出到全反鏡，全反鏡表面鍍有(500～520)nm波長(zhǎng)的高反射膜，以減小509nm輸出激光的損耗，509nm激光最后經(jīng)全反鏡反射后輸出。激光的增益區(qū)域通過(guò)帕爾貼元件溫度調(diào)諧，輸出激光的波長(zhǎng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流和光柵后的壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。

圖5 509nm綠光激光系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.5 Experimental scheme of the 509nm laser system

3.2 509nm綠光激光系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果3.2.1 509nm綠光激光輸出功率測(cè)試結(jié)果

優(yōu)化激光二極管工作溫度為25℃，通過(guò)調(diào)節(jié)激光二極管注入電流大小，測(cè)量了509nm綠光激光器輸出功率隨激光二極管注入電流大小變化曲線，結(jié)果如圖6所示。

圖6 509nm綠光激光輸出功率隨電流變化曲線圖Fig.6 509nm Output power versus injection current

從圖6中可知，該509nm綠光激光系統(tǒng)閾值電流在50mA附近，當(dāng)電流為230mA時(shí)輸出激光功率為80mW，其輸出功率滿足里德堡原子制備功率要求(典型功率為30mW)。

3.2.2

509nm

綠光激光輸出波長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果

優(yōu)化激光二極管工作溫度為25℃，通過(guò)調(diào)節(jié)激光二極管注入電流大小，測(cè)量了509nm綠光激光器輸出波長(zhǎng)隨激光二極管注入電流大小變化曲線，結(jié)果如7所示。

圖7 509nm綠光激光波長(zhǎng)隨電流變化曲線圖Fig.7 509nm wavelength versus injection current

從圖7中可知，該509nm綠光激光系統(tǒng)輸出典型激光波長(zhǎng)(509.52～509.65)nm，可覆蓋多個(gè)里德堡原子量子態(tài)。

3.3 里德堡原子EIT光譜測(cè)試結(jié)果

我們采用圖1的實(shí)驗(yàn)方案，利用852nm激光作為探測(cè)光，509nm激光作為耦合光，采用級(jí)聯(lián)雙光子兩步激發(fā)方案，通過(guò)掃描509nm綠光激光波長(zhǎng)，在常溫銫原子蒸氣室中實(shí)現(xiàn)了階梯型里德堡態(tài)EIT光譜，結(jié)果如圖8和圖9所示。圖8為銫原子6S→6P→50D的EIT光譜，圖9為銫原子6S→6P→50S的EIT的光譜，由光譜信號(hào)可以看出，利用該綠光激光系統(tǒng)獲得的光譜信噪比和光譜分辨率接近固體激光系統(tǒng)的結(jié)果,可以滿足里德堡原子微波電場(chǎng)精密測(cè)量對(duì)激光系統(tǒng)的需求。

圖8 里德堡原子6S1/2→6P3/2→50D的EIT光譜波形圖Fig.8 EIT spectroscopy of 6S1/2→6P3/2→50D transition

圖9 里德堡原子6S1/2→6P3/2→50S的EIT光譜波形圖Fig.9 EIT spectroscopy of 6S1/2→6P3/2→50S transition

4 結(jié)束語(yǔ)

高激發(fā)態(tài)里德堡原子的特殊性質(zhì)使得其在量子精密測(cè)量、量子信息和量子計(jì)算等領(lǐng)域成為了各國(guó)研究的熱點(diǎn)。級(jí)聯(lián)雙光子激發(fā)方案作為一種常用里德堡原子的制備方式，受到了廣泛的應(yīng)用。本文采用Littorw型光柵外腔反饋結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)諧，輸出功率大于80mW的509nm綠光激光系統(tǒng)。利用該509nm綠光激光與常規(guī)852nm半導(dǎo)體外腔激光器協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了50D和50S里德堡態(tài)EIT光譜，為進(jìn)一步開展里德堡原子微波電場(chǎng)精密測(cè)量提供509nm綠光激光系統(tǒng)。