用于里德堡原子高精度微波电场测量的小型化激光系统设计与实现

成永杰 靳 刚 刘星汛 齐万泉 何 军

(1.北京无线电计量测试研究所，北京 100039；2.山西大学光电研究所，量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西太原 030006；3.山西大学，教育部山西省省部共建极端光学协同创新中心，山西太原 030006)

1 引 言

场强是无线电计量的七个基本参数之一。目前微波电场测量与校准通常采用偶极天线等传统传感器设备。受测量原理和探头结构限制，此类设备存在一定缺陷，难以实现场强高灵敏度、高分辨率、高准确度测量；更重要的是，由于采用级联校准，这些设备的溯源途径也存在一定局限性。

里德堡原子制备方案中，常见的制备方式主要有二种：单光子激发、级联双光子激发。对碱金属铯原子，单光子激发方案通常采用1560nm和1077nm激光分别放大并和频后得到638nm激光，然后由638nm激光倍频得到319nm紫外激光，利用单步激发实现原子的里德堡态制备，该方案可以获得kHz量级的激光线宽，但系统复杂，机械稳定性差。级联双光子激发方案通常采用1018nm半导体激光器作为种子源，激光放大后利用非线性晶体倍频获得509nm激光。利用(509+852)nm双光子激发实现原子里德堡态制备。该方案中509nm激光要求种子源-放大-倍频等多个光学模块，技术复杂，系统庞大，价格昂贵，机械稳定性较差。随着外腔半导体激光技术的快速发展，Avramescu小组采用524nm半导体激光器实现了50mW绿光激光功率输出。该工作的实现，提供了一种直接获得短波长绿光激光系统的技术方案，有希望替代传统频率转换方案的绿光激光系统，应用于泵源、传感、精密测量、海底通信等领域。

目前，受限于半导体材料技术，绿光半导体激光二极管的工作波长范围在(510～515)nm，对于截止波长增益区外的绿光激光系统，国内外还没有公开报道。本文选择特定510nm半导体激光管，通过温度控制激光二极管工作环境，实现增益区域的蓝移，获得509nm的高增益单频激光。采用Littorw型光栅外腔反馈技术，实现509nm激光线宽的MHz压窄，获得波长连续可调的单频509nm激光。输出激光典型功率～80mW。基于该激光系统，结合852nm激光，实现了铯原子里德堡态激发，并获得了50D和50S里德堡态EIT光谱，验证了激光系统的性能指标，为开展基于里德堡原子EIT-AT效应的微波电场测量提供了一套结构简单，性能可靠的509nm绿光激光系统。

2 微波电场测量原理

铯(Cs)原子能级结构如图1所示。微波电场测量方案中,功率较弱的852nm探测光共振于铯原子6S到6P跃迁线，实现中间态原子布居；功率较强的509nm耦合光泵浦6P态原子到里德堡态，通过强耦合实现原子6P态和

n

D态缀饰。缀饰态的量子干涉会导致原子跃迁通道干涉相消，进而导致852nm探测光吸收减弱，即透射增强的EIT光谱。

图1 铯原子四能级系统原理图Fig.1 Principle for four-level system of 133Cs atom

基于里德堡原子量子干涉效应的微波电场测量原理如图2所示，852nm探测光和509nm耦合光相向传播作用于铯原子蒸气室中。当探测光与耦合光共振于铯原子能级时，探测光激光在共振频率附近产生阶梯型三能级EIT。

图2 里德堡原子微波电场测量装置原理图Fig.2 Experimental setup for microwave electric field measurement using Rydberg atom

当没有微波电场作用时，探测光光谱信号为标准的阶梯型能级EIT透射谱，如图3所示。当施加微波电场与里德堡原子邻近能级共振时，由于微波场的强耦合导致里德堡原子Aulter-Townes(AT)分裂，进而在852nm探测光的EIT透射峰出现AT分裂，如图4所示，该分裂大小依赖于施加的微波电场大小。AT分裂宽度

Δf

与外加微波电场的关系可以表示为

(1)

从式(1)可知，

Δf

与微波电场成正比，可以将微波电场测量转化为分裂频率的精确测量。

图3 无微波场作用时的EIT透射谱波形图Fig.3 Spectrum of EIT signal(RF off)

图4 微波场作用时EIT-AT分裂信号波形图Fig.4 Spectrum of EIT-AT signal(RF on)

3 激光系统实现方案及结果

3.1 509nm绿光激光系统实现方案

对于铯原子级联双光子两步激发方案，需要利用高功率的509nm绿光作为耦合光。509nm绿光通常采用1018nm激光通过激光放大和激光倍频来实现，该方案技术复杂，价格高昂，系统体积庞大，不利于实用和集成化。所以急需一种新的光源产生方案，实现结构简单，性能可靠的509nm绿光激光系统。

通过激光二极管参数对比优化，选择波长增益区(510～515)nm激光二极管，利用精密温控技术实现二极管截止波长区域外的有效增益，实现高性能509nm绿光激光输出。509nm绿光激光系统实验装置如图5所示，该激光系统包含509nm激光二极管、准直透镜、光栅、全反镜。509nm绿光激光二极管输出光束经过准直透镜准直，该准直透镜镀有(500～520)nm波长的增透膜，以减小激光器内腔损耗。准直后的平行光经过光栅衍射，一级衍射光反馈回激光二极管形成选膜外腔，零级衍射光直接输出到全反镜，全反镜表面镀有(500～520)nm波长的高反射膜，以减小509nm输出激光的损耗，509nm激光最后经全反镜反射后输出。激光的增益区域通过帕尔贴元件温度调谐，输出激光的波长通过驱动电流和光栅后的压电陶瓷实现调谐。

图5 509nm绿光激光系统设计图Fig.5 Experimental scheme of the 509nm laser system

3.2 509nm绿光激光系统测试结果3.2.1 509nm绿光激光输出功率测试结果

优化激光二极管工作温度为25℃，通过调节激光二极管注入电流大小，测量了509nm绿光激光器输出功率随激光二极管注入电流大小变化曲线，结果如图6所示。

图6 509nm绿光激光输出功率随电流变化曲线图Fig.6 509nm Output power versus injection current

从图6中可知，该509nm绿光激光系统阈值电流在50mA附近，当电流为230mA时输出激光功率为80mW，其输出功率满足里德堡原子制备功率要求(典型功率为30mW)。

3.2.2

509nm

绿光激光输出波长测试结果

优化激光二极管工作温度为25℃，通过调节激光二极管注入电流大小，测量了509nm绿光激光器输出波长随激光二极管注入电流大小变化曲线，结果如7所示。

图7 509nm绿光激光波长随电流变化曲线图Fig.7 509nm wavelength versus injection current

从图7中可知，该509nm绿光激光系统输出典型激光波长(509.52～509.65)nm，可覆盖多个里德堡原子量子态。

3.3 里德堡原子EIT光谱测试结果

我们采用图1的实验方案，利用852nm激光作为探测光，509nm激光作为耦合光，采用级联双光子两步激发方案，通过扫描509nm绿光激光波长，在常温铯原子蒸气室中实现了阶梯型里德堡态EIT光谱，结果如图8和图9所示。图8为铯原子6S→6P→50D的EIT光谱，图9为铯原子6S→6P→50S的EIT的光谱，由光谱信号可以看出，利用该绿光激光系统获得的光谱信噪比和光谱分辨率接近固体激光系统的结果,可以满足里德堡原子微波电场精密测量对激光系统的需求。

图8 里德堡原子6S1/2→6P3/2→50D的EIT光谱波形图Fig.8 EIT spectroscopy of 6S1/2→6P3/2→50D transition

图9 里德堡原子6S1/2→6P3/2→50S的EIT光谱波形图Fig.9 EIT spectroscopy of 6S1/2→6P3/2→50S transition

4 结束语

高激发态里德堡原子的特殊性质使得其在量子精密测量、量子信息和量子计算等领域成为了各国研究的热点。级联双光子激发方案作为一种常用里德堡原子的制备方式，受到了广泛的应用。本文采用Littorw型光栅外腔反馈结构方案，实现了波长可连续调谐，输出功率大于80mW的509nm绿光激光系统。利用该509nm绿光激光与常规852nm半导体外腔激光器协作，实现了50D和50S里德堡态EIT光谱，为进一步开展里德堡原子微波电场精密测量提供509nm绿光激光系统。