光学斩波增强型里德伯原子超低频电场测量技术

《Optics & Laser Technology》：Optical chopping enhanced Rydberg-atom-based ultra-low-frequency electric field measurement

　　•光学斩波技术可将里德伯原子传感器用于超低频电场检测的灵敏度提升近十倍。•通过激光调制抑制低频噪声，该传感器在7 Hz频率下实现了49.1 μV/cm/Hz的创纪录灵敏度。•该技术扩展了里德伯传感器的检测范围，可覆盖整个低频至超低频谱段，适用于地球物理及水下通信领域。

引言
超低频电场的测量在多个领域具有重要意义，包括空间物理学[1]、[2]、地球物理学[3]、[4]、水下信息感知[5]、[6]以及通信领域[7]、[8]。由于超低频电场波长较长且传播距离远，因此其测量十分重要。然而，超低频接收器的检测灵敏度通常受到1/f噪声的限制，而这种噪声的主要来源正是用于信号放大和频率混频的主动半导体器件，尤其是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）[9]。在电子学中，人们采用了多种技术来减轻1/f噪声，包括锁相放大[10]、互补级联开关[11]、自动归零[12]以及斩波稳定技术[13]。

里德伯原子作为一种电场传感技术展现出巨大潜力，相较于传统传感器，它具有灵敏度高、带宽宽、动态范围大以及结构紧凑等优点[14]、[15]、[16]。这些优势推动了基于原子的电场测量技术的发展[17]。传统的超低频天线体积较大，而里德伯原子传感器则不受传统楚限的约束[18]，因此可以实现厘米级的微型化。不过，原子蒸汽池对低频电场波的屏蔽效应仍是一个重大挑战[19]、[20]，这一效应使得被限制在其中的里德伯原子无法检测到频率低于兆赫兹的电磁场成分。正因如此，目前大多数关于基于里德伯原子的电场测量的研究都集中在微波频段[21]、[22]、[23]、[24]。也有不少研究小组尝试将里德伯原子用于超低频[25]、[26]、[27]、低频[19]、[28]、[29]、[30]以及短波[31]电场测量。但所有这些研究都存在一个关键问题：至今尚未有研究能够有效消除低频段固有的1/f噪声，而这正是导致测量灵敏度下降的根本原因。

我们注意到近期有一些关于利用里德伯原子传感器进行超低频电场测量的研究。Chandra等人使用经过石蜡处理的蒸汽池并配合辅助调制场，实现了从0.5 Hz到10 kHz的宽频段电场测量[27]。Damitz等人通过优化电池材料与涂层，并采用三光子激发方案，显著提升了准直流电场的检测灵敏度[26]。Glick等人则利用准直的里德伯原子束结合离子化检测方式，有效降低了蒸汽池中的电场屏蔽效应，从而实现了1 Hz频率下的电场检测[25]。在本研究中，我们通过光学斩波放大技术，显著提升了里德伯原子用于超低频电场检测的灵敏度。在该技术中，耦合激光在进入蒸汽池之前会被进行光学斩波处理，这样一来，铯原子就会以斩波频率在基态与第一激发态之间周期性跃迁。为评估该技术的性能，我们比较了使用和未使用光学斩波放大技术时里德伯传感器在超低频电场测量中的灵敏度，结果充分体现了光学斩波放大技术有效抑制1/f噪声的优势。

实验装置
实验装置及相关的三能级里德伯-电感应透明图分别如图1(a)和(b)所示。电场是通过一对尺寸为80毫米×26毫米×1毫米的铜电极板施加到直径为40毫米、长度为100毫米的蒸汽池中的，两电极之间的距离为18毫米。一束852纳米的探测激光（来自TOPTICA公司）以500微瓦的功率驱动铯原子从基态|6S1/2?跃迁到第一激发态|6P3/2?。

结果与讨论
在超低频段，我们选择了7 Hz、33 Hz、66 Hz和132 Hz这四个频率，以避免受到50 Hz电力线基频及其谐波的干扰——这类干扰通常出现在5或10 Hz的整数倍频率上。我们用这四个频率来对比使用和不使用光学斩波放大技术时的电场灵敏度。图4(a)至(d)分别展示了7 Hz、33 Hz、66 Hz和132 Hz频率下的电场测量结果，每个子图都呈现了两种检测方式的对比数据。

结论
总之，通过引入光学斩波放大技术，我们成功提升了里德伯原子用于超低频电场检测的灵敏度。该技术通过在高频载波的作用下调节原子的响应（借助光学斩波处理的耦合激光），再通过同步解调恢复信号，从而有效抑制了1/f噪声。这种方法使得传感器能够检测到极其微弱的超低频电场，其灵敏度远远高于传统传感器。

作者贡献说明
谢益鹏：撰写原始稿件、验证研究结果、开发软件、项目管理、方法设计、正式分析、数据整理。雷明伟：撰写文章的审阅与编辑工作、验证研究结果、争取科研经费。董文博：负责数据可视化、验证研究结果、协调资源、开展相关研究。石萌：参与文章的审阅与编辑、数据可视化、验证研究结果、监督研究进展、项目管理、方法设计、争取科研经费以及概念构思。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB3909500）、国家自然科学基金（项目编号U2341211）以及国家自然科学基金（项目编号62501568）的支持。

谢益鹏|雷明伟|董文博|石萌