基于四能级里德堡原子的高灵敏度太赫兹电场测量技术研究

《IEEE Photonics Journal》：High Sensitive Quantum Coherent THz Electrometry With Four-Level Rydberg Atoms

本文针对室温高灵敏度太赫兹探测器需求，提出基于铷原子四能级系统的量子相干太赫兹探测方法。研究人员通过求解Lindblad主方程，系统分析了太赫兹电场、探测激光和耦合激光对原子布居的影响，探讨了温度和气室尺寸对探测灵敏度的关键作用。研究结果表明该技术可实现10-9V/m/Hz1/2量级的理论灵敏度，为开发高灵敏度室温太赫兹探测器奠定了理论基础。

　　

随着太赫兹技术的快速发展，6G无线通信、安全检测和生物医学等领域对高灵敏度、宽带且能在室温下工作的太赫兹探测器提出了迫切需求。传统太赫兹探测器如热探测器和光子探测器各有局限：热探测器响应时间慢，而高灵敏度的光子探测器往往需要低温冷却，这限制了它们的实际应用。特别是在D波段（0.11-0.17 THz）太赫兹通信中，要实现超过1 Tb/s的峰值数据速率和最小延迟，开发高性能探测器成为关键技术瓶颈。

在这一背景下，里德堡原子展现出了独特优势。这些处于高激发态的原子具有巨大的原子半径、长寿命和高电极化率，对外部电场极为敏感。更重要的是，里德堡原子拥有丰富的能级结构，其跃迁频率覆盖从射频到太赫兹的广阔范围，为太赫兹探测提供了新思路。

西安理工大学的研究团队在《IEEE Photonics Journal》上发表了一项创新研究，提出了一种基于铷里德堡原子的四能级量子系统，用于实现高灵敏度的室温太赫兹电场测量。该研究通过电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT）和奥特勒-汤斯（Autler-Townes, AT）分裂效应，将太赫兹电场的测量转化为对探测激光透射光谱的全光学测量，避免了传统金属天线和电路测量中的噪声问题。

研究人员采用的主要技术方法包括：构建铷原子四能级系统（5S_1/2→5P_3/2→31D_5/2→33P_3/2）；利用Lindblad主方程求解原子密度矩阵；分析探测激光、耦合激光和太赫兹电场的拉比频率对EIT-AT信号的影响；研究原子蒸气室温度和尺寸对探测灵敏度的作用；评估系统的量子投影噪声极限灵敏度。

c为耦合激光的失谐频率。(b)无太赫兹场时的EIT光谱(蓝色曲线)和有太赫兹场时的EIT-AT信号(橙色曲线)。'>

关键因素影响EIT-AT信号

研究发现探测激光的拉比频率(Ω_p)增加会提高EIT-AT信号的基线和幅度，但会降低AT分裂峰值的可见度。当Ω_p增大时，基态原子布居(ρ₁₁)减少，而第一里德堡态31D_5/2的布居(ρ₃₃)增加。由于太赫兹电场恒定，只能与有限数量的里德堡原子相互作用，导致EIT-AT信号的峰峰值减小。

耦合激光的拉比频率(Ω_c)对EIT-AT信号也有显著影响。当Ω_c较小时，原子先被探测激光从基态激发到5P_3/2态，再被耦合激光激发到31D_5/2态，此时大多数探测光子被吸收，探测透射率较低。随着Ω_c增大，更多原子被泵浦到31D_5/2里德堡态，基态布居减少，探测透射率增加。然而，当Ω_c超过约1×2π MHz时，ρ₃₃达到饱和，AT分裂间隔的可见度降低。

c值时探测透射率随探测失谐Δ_c的变化关系。(b)基态布居ρ₁₁和里德堡态布居ρ₃₃随Ω_c的变化关系，蓝色和红色曲线分别代表ρ₁₁和ρ₃₃。计算参数为Δ_p=Δ_T=0 MHz，Ω_p=10×2π MHz，Ω_T=10×2π MHz。'>

太赫兹电场的拉比频率(Ω_T)与EIT-AT信号的分裂间隔(Δf)呈线性关系，符合公式E_THz= (2π?/μ_THz)Δf。当Ω_T< 3×2π MHz时，系统呈现非线性响应；而在透明区域(Ω_T> 3×2π MHz)，Δf与Ω_T呈良好线性关系，可直接用于太赫兹电场强度测量。

T时探测激光透射率随Δ_c的变化关系，参数为Δ_p=Δ_T=0 MHz，Ω_p=5×2π MHz，Ω_c=1×2π MHz。(b)AT分裂间隔Δf与太赫兹电场拉比频率Ω_T的关系。黑色方块表示不同Ω_T下计算的Δf值，红色实线是基于公式(1)的拟合曲线。绿色阴影区域表示非线性区域，透明区域对应线性区域。'>

温度对EIT-AT信号的影响

温度通过影响铷原子蒸气室中的原子密度和活性，对探测性能产生关键作用。随着温度从25°C升高到35°C，EIT-AT信号的幅度和基线降低，但AT分裂峰的分辨率提高。高温增加了原子密度和蒸气压，增强了探测激光的吸收，同时原子活动加剧导致碰撞增加，EIT-AT曲线的线宽扩大。然而，在固定太赫兹电场下，分裂间隔Δf保持不变。因此，适当加热蒸气室可改善探测性能，在太赫兹成像应用中能增强图像对比度和空间分辨率。

量子投影噪声极限灵敏度

研究评估了四能级里德堡原子太赫兹探测器的理论灵敏度。量子投影噪声极限灵敏度S由公式S = √2?/(4μ_THz√(Nτt))决定，其中N为参与测量的原子数，与原子密度和蒸气室尺寸相关。计算表明，随着温度从0°C升至40°C（蒸气室长度7 cm），灵敏度S降低，系统变得更加灵敏。更高的温度增加了基态原子密度，使更多原子可被激发到里德堡态参与测量。同时，蒸气室长度增加扩大了激光、太赫兹波与原子相互作用的区域，提高了探测灵敏度。在25°C、7 cm蒸气室条件下，理论灵敏度可达10^-9V/m/Hz^1/2量级。

该研究为基于里德堡原子的量子相干技术在高灵敏度室温太赫波检测方面的实现和优化提供了坚实的理论基础。通过系统分析各参数对EIT-AT信号的影响，研究人员明确了优化探测灵敏度的关键因素，为实验研究提供了重要指导。这项技术不仅有望推动太赫兹通信系统的发展，还在太赫兹成像、精密测量等领域具有广阔应用前景。研究中建立的理论模型和方法也可扩展到其他原子系统和频率范围，为量子传感技术的发展开辟了新途径。