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Design of omnidirectional Rydberg atomic sensors loaded with electric field enhancement structure using characteristic mode analysis
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作者 Zhenke DING Yi LIU +4 位作者 Bo WU Kai YANG Ruibing RAN Yi LIN Yunqi FU 《Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering》 2025年第8期1461-1472,共12页
The integration of electric field enhancement structures(EFESs)with Rydberg atomic sensors(RASs)has garnered considerable interest due to their potential to enhance detection sensitivity in quantum measurement systems... The integration of electric field enhancement structures(EFESs)with Rydberg atomic sensors(RASs)has garnered considerable interest due to their potential to enhance detection sensitivity in quantum measurement systems.Despite this,there is a dearth of research on the directional response of EFES,and the analysis of the three-dimensional(3D)patterns of RAS remains a formidable challenge.RASs are employed in non-destructive measurement techniques,and are responsive to electric fields,primarily serving as reception devices.However,analyzing their reception patterns is a complex task that requires a sophisticated approach.To address this,we adopt characteristic mode(CM)analysis to illustrate the omnidirectional performance of RAS.According to the CM theory,the reception pattern can be calculated by a series of modal currents and their corresponding coefficients.The analytical representation of these coeficients negates the need for time-consuming full-wave(FW)numerical simulations,which are typically required to generate EFES patterns due to the necessity of scanning numerous angle parameters.This approach significantly reduces the complexity of solving EFES patterns,and provides insightful guidance for the design process.To validate the efficacy of our proposed method,we construct three prototypes.The results indicate that the final model resonates at 1.96 GHz,achieving an electric field gain of 25 dB and an out-of-roundness of 2.4 dB.These findings underscore the effectiveness of our method in analyzing EFES patterns,highlighting its potential for future applications in the field. 展开更多
关键词 rydberg atomic sensor Characteristic mode Electric field enhancement structure
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里德堡原子EIT与EIA中间态对故障电弧感应增强的研究
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作者 王恩惠 耿佳琪 +6 位作者 赵龙 仇茹嘉 田腾 宋东波 杨海涛 胡啸宇 陈嘉 《量子光学学报》 北大核心 2025年第2期35-44,共10页
故障电弧作为一种常见的电力设施故障,其检测方法近年来被广泛研究讨论,然而由于测量环境往往电场强度极大,许多测量手段望而却步。里德堡原子传感系统作为一种卓越的可以做到全光学探头的检测手段,是检测故障电弧电磁信号的优秀平台之... 故障电弧作为一种常见的电力设施故障,其检测方法近年来被广泛研究讨论,然而由于测量环境往往电场强度极大,许多测量手段望而却步。里德堡原子传感系统作为一种卓越的可以做到全光学探头的检测手段,是检测故障电弧电磁信号的优秀平台之一。然而,里德堡原子系统检测故障电弧时采用的非共振探测方法往往在接收带宽与灵敏度等参数上偏低,在寻找最佳工作点的过程中,系统参数优化必不可少。本文主要对里德堡原子的电磁诱导透明(EIT)谱图的线型进行研究,预测了EIT与电磁诱导吸收(EIA)中间态的存在,并在实验上通过改变探测光拉比频率使原子处于性能最佳的中间态,信噪比提升了7.8 dBm以上,在1.5 MHz的范围内能够保持10 dB以上的信噪比,为利用里德堡原子系统检测故障电弧的手段提供了优化路径和方案。 展开更多
关键词 故障电弧 里德堡原子 微波电场 量子传感器 EIT-EIA中间态
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里德堡原子电场传感器的自校准性解析及测量不确定度评定 被引量:1
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作者 肖冬萍 石筑鑫 +2 位作者 阎晟 张淮清 余传祥 《电工技术学报》 EI CSCD 北大核心 2024年第17期5321-5330,共10页
传统电场传感器需要标准场或更高准确度等级的传感器进行校准,而基于原子固有能级结构和光谱特征的里德堡原子电场测量可溯源至基本物理常数,量子传感自带校准功能。该文阐述了里德堡原子与外场相互作用的量子相干效应,说明了里德堡原... 传统电场传感器需要标准场或更高准确度等级的传感器进行校准,而基于原子固有能级结构和光谱特征的里德堡原子电场测量可溯源至基本物理常数,量子传感自带校准功能。该文阐述了里德堡原子与外场相互作用的量子相干效应,说明了里德堡原子传感器的电场测量原理,并解析了其自校准性。基于所构建的针对低频电场的里德堡原子传感测量系统,分析了误差来源,定义和计算了各种不确定度分量,得到合成相对标准不确定度为3.885%;保守考虑,在大于或等于95.45%的包含概率下得到扩展不确定度为7.77%。在此过程中,明确了不确定度的主要影响因素并提出了减小其影响的建议。最后给出传感系统实测电磁诱导透明(EIT)光谱频移量与电场强度之间的拟合函数,拟合确定系数达到0.9969,验证了所构建的低频电场量子测量系统的准确性。 展开更多
关键词 电场传感器 里德堡原子 自校准性 量值溯源 测量不确定度
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基于里德堡原子的无线电技术 被引量:11
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作者 付云起 林沂 +2 位作者 武博 安强 刘燚 《电波科学学报》 CSCD 北大核心 2022年第2期279-287,共9页
里德堡原子是一种处于高能态的原子,拥有较大的跃迁偶极矩.利用原子的电磁感应透明和Autler-Townes分裂效应可实现微波频段电磁场的测量和接收.近年来,基于里德堡原子的无线电技术在通信、雷达等电子信息技术领域崭露头角,基于里德堡原... 里德堡原子是一种处于高能态的原子,拥有较大的跃迁偶极矩.利用原子的电磁感应透明和Autler-Townes分裂效应可实现微波频段电磁场的测量和接收.近年来,基于里德堡原子的无线电技术在通信、雷达等电子信息技术领域崭露头角,基于里德堡原子的无线电接收机实现了对调幅信号、调频信号的解调;同时,具备对脉冲信号及微波场相位信息的测量能力.文中主要综述基于里德堡原子的无线电技术研究,详细介绍了里德堡原子接收机的基本原理与研究进展,并简单讨论了其未来发展方向. 展开更多
关键词 里德堡原子 原子传感器 原子无线电 电磁诱导透明 Autler Townes(AT)分裂
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基于里德伯原子Stark效应射频电场测量灵敏度研究 被引量:2
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作者 韩小萱 孙光祖 +2 位作者 郝丽萍 白素英 焦月春 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期88-94,共7页
里德伯原子极化率大,在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移,可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究.采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型,计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱,修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子... 里德伯原子极化率大,在外加电场作用下原子能级发生Stark分裂和频移,可实现里德伯原子高灵敏电场传感器的研究.采用Shirley的简化不含时Floquet哈密顿量模型,计算了Cs里德伯原子的AC Stark能谱,修正后与实验上测得的弱场中Cs里德伯原子的DC Stark离子能谱拟合,在获得60D_(5/2)和70D_(5/2)里德伯原子态极化率αDC的同时实现低频弱场灵敏度的计算.并计算了Cs里德伯原子60D_(5/2)态频率在0—500 GHz范围内振荡电场中的AC Stark能级频移量,对里德伯原子传感器在其宽光谱范围内的灵敏度进行定量分析,实现任意场频率最佳灵敏度的计算,为里德伯原子传感器的研究提供理论基础. 展开更多
关键词 AC STARK效应 里德伯传感器 Floquet模型
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里德堡原子微波测量系统中原子渡越噪声的研究 被引量:1
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作者 杨雪洲 曾国晋 +5 位作者 李捷 田中州 冀彦杰 斛金莲 宋晓波 焦月春 《量子光学学报》 北大核心 2024年第3期92-98,共7页
基于里德堡原子的微波测量方法具有突破传统电子学测量系统热噪声极限的潜力,已成为最具潜力的微波量子测量技术之一。然而,原子系统中存在的各种噪声限制了测量灵敏度的提升。本文主要对基于里德堡原子超外差测量系统中存在的原子渡越... 基于里德堡原子的微波测量方法具有突破传统电子学测量系统热噪声极限的潜力,已成为最具潜力的微波量子测量技术之一。然而,原子系统中存在的各种噪声限制了测量灵敏度的提升。本文主要对基于里德堡原子超外差测量系统中存在的原子渡越噪声进行了研究。首先介绍了基于里德堡原子超外差技术的微波测量原理;然后,详细研究了原子热运动产生的渡越噪声对基于原子微波测量的影响。研究表明,渡越噪声的频率影响范围与激发光腰斑的大小成反比,且噪声强度随探测光强度的增加具有先增大后趋于饱和的现象。最后,我们展示了原子渡越噪声对测量灵敏度的影响。此工作对提升里德堡原子微波测量系统的灵敏度具有重要意义。 展开更多
关键词 里德堡原子 原子电场传感器 原子渡越噪声 EIT-AT光谱
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基于里德堡原子的无线电技术研究进展 被引量:5
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作者 贺青 李栋 +4 位作者 谷立 罗思源 贺寓东 李彪 王强 《强激光与粒子束》 CAS CSCD 北大核心 2024年第7期127-145,共19页
近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十... 近年来,量子信息技术飞速发展,其中基于里德堡原子的电磁传感器吸引了人们的极大兴趣。里德堡原子是一种处于高能态的原子,因其拥有对外场响应灵敏、具备自校准并直接追溯到国际单位制的测量能力、不受传统天线尺寸效应的影响等特点,十分适合于无线电传感与探测。自2012年Shaffer等突破性地利用里德堡原子的电磁诱导透明效应测量微波电场强度的灵敏度及不确定度均远高于传统微波测量结果之后,近十年来,以里德堡原子超外差测量等新理论和新技术为代表的研究已经实现了对电磁波的频率、极化、相位、强度等多参数的测量,相关工程化的技术也蓬勃发展,有望对传统的无线电技术产生颠覆性的影响。对基于里德堡原子的无线电技术近十年来的研究进展进行综述,从探测原理出发,梳理本领域的发展脉络,并对其未来发展趋势进行展望。 展开更多
关键词 里德堡原子 电磁诱导透明 无线电技术 原子传感器
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基于平行板谐振器的量子微波电场测量技术 被引量:3
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作者 武博 林沂 +4 位作者 吴逢川 陈孝樟 安强 刘燚 付云起 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期92-99,共8页
基于Rydberg原子的量子微波测量技术具有自校准、可溯源、高灵敏度的显著优点,针对如何提高量子微波测量灵敏度的问题,本文从经典电磁理论出发,提出一种终端短路的1/4波长平行板传输线谐振器电场局域增强结构.运用场路结合的分析方法以... 基于Rydberg原子的量子微波测量技术具有自校准、可溯源、高灵敏度的显著优点,针对如何提高量子微波测量灵敏度的问题,本文从经典电磁理论出发,提出一种终端短路的1/4波长平行板传输线谐振器电场局域增强结构.运用场路结合的分析方法以及等效电路方法,求解平行板传输线谐振器结构端口的反射系数为0.91;利用场的分析方法推导出端口电场强度随时间变化的解析表达式,进行时域分析,绘制了平行板传输线谐振器端口的电场强度瞬态响应曲线,得出平行板传输线谐振器建立稳态的时间为10 ns.研究表明,随着平行板间距的减小,电场强度增强倍数迅速升高,功率密度压缩能力大幅提升.利用|69D5/2>实验验证了该结构在2.1 GHz可实现25 dB的电场强度增强.本文的研究工作有望在原子测量能力基础上进一步提高测量灵敏度,推动量子微波测量技术的实用化发展. 展开更多
关键词 原子传感器 量子传感 rydberg原子 平行板传输线谐振器
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基于冷里德堡原子电磁感应透明的微波电场测量 被引量:7
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作者 周飞 贾凤东 +3 位作者 刘修彬 张剑 谢锋 钟志萍 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期185-192,共8页
在磁光阱中利用冷原子温度低,多普勒展宽小的优势获得了窄线宽的里德堡电磁感应透明(EIT)谱峰,结合Autler-Townes分裂效应(EIT-AT分裂)分别测量了多个频率的微波电场强度.结果显示,EIT-AT分裂间距与微波电场强度呈很好的线性关系,EIT-A... 在磁光阱中利用冷原子温度低,多普勒展宽小的优势获得了窄线宽的里德堡电磁感应透明(EIT)谱峰,结合Autler-Townes分裂效应(EIT-AT分裂)分别测量了多个频率的微波电场强度.结果显示,EIT-AT分裂间距与微波电场强度呈很好的线性关系,EIT-AT分裂方法可测量的微波电场强度线性区的下限可达222μV/cm,这个下限比传统热原子蒸汽池中EIT-AT分裂线性区的下限5 mV/cm提高了大约22倍,这对极弱微波电场的绝对校准非常有帮助.我们进一步利用EIT共振处探测光透过率的变化测量微波电场强度,对应的最小测量值可以小于1μV/cm,相应的灵敏度可达到1μV·cm-1.Hz-1/2.这些结果展示了冷原子样品在微波电场测量及其绝对校准方面的优势. 展开更多
关键词 微波电场传感器 里德堡原子 电磁感应透明
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基于里德堡原子的微波全信息测量 被引量:2
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作者 贾凤东 郝建海 +6 位作者 崔越 王宇翔 刘宇晴 王宇 尤建琦 白金海 钟志萍 《计测技术》 2024年第1期1-22,共22页
介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理,阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点,分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状,探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难,指... 介绍了里德堡原子微波电场传感器的工作原理,阐述了基于里德堡原子测量微波电场强度、相位、极化、频率等信息的技术特点,分析了基于里德堡原子的微波全信息测量的研究现状,探讨了当前绝对自校准测量和连续宽带高灵敏测量面临的困难,指出可以通过外场调控实现测量灵敏度提升和宽带连续频率测量;并可通过各种调制及解调手段简化相位、极化的测量和读取。分析了在热原子系统中利用多光子激发消除多普勒展宽以及采用冷原子消除多普勒展宽对于提升微波测量灵敏度的潜在优势,提出未来可利用里德堡原子的高轨道角动量态、强关联等特性进一步提升里德堡原子微波电场传感器性能。 展开更多
关键词 微波电场传感器 里德堡原子 电磁感应透明
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基于Rydberg原子的100 kHz~40 GHz超宽带射频传感器 被引量:5
11
作者 杨凯 安强 +4 位作者 姚佳伟 毛瑞棋 林沂 刘燚 付云起 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第15期214-220,共7页
Rydberg原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩,利用谐振区的Autler-Townes分裂效应和非谐振区的交流斯塔克(AC Stark)偏移效应,可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精密测量与通信。在室温铯原子气室中,通过改变耦合光波长,选用|70S_(12)&... Rydberg原子具有极大的极化率和跃迁偶极矩,利用谐振区的Autler-Townes分裂效应和非谐振区的交流斯塔克(AC Stark)偏移效应,可以实现超宽带电磁信号无损可溯源的精密测量与通信。在室温铯原子气室中,通过改变耦合光波长,选用|70S_(12)>、|42D_(52)>和|30D_(52)>三个不同的Rydberg能级,分别测量了远失谐区(2 GHz)和谐振区(9.953 GHz和29.54 GHz)电磁信号的空间电场强度,并由此计算出环境散射和气室扰动所产生的衰减因子。同时,实验展示了Rydberg原子在宽带频率范围内的通信应用潜力,研究了远失谐区(2 GHz)、近失谐区(9.5 GHz)和谐振区(29.54 GHz)电磁信号在不同调制频率下幅度调制和频率调制的信噪比(SNR),并在此基础上,测量了调制频率为10 kHz的幅度调制信号在100 kHz~40 GHz超宽带频率范围内的解调信号SNR。实验结果表明,Rydberg原子可以突破传统电子学传感器的工作带宽限制,在超宽带连续频谱范围内具有电场感知与通信能力。 展开更多
关键词 传感器 rydberg原子 超宽带 电场测量 通信
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基于里德堡原子外差传感器的宽带高灵敏探测 被引量:4
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作者 杨凯 毛瑞棋 +2 位作者 孙占山 李健兵 付云起 《光学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第17期268-274,共7页
里德堡原子外差技术通过引入辅助本振场可以极大地提升探测灵敏度,在雷达、电子侦察和通信方面具有广阔的应用潜力。本文在一个2 cm长的室温铯原子气室中,利用相向传输的探测光(852 nm)和耦合光(509 nm)将铯原子激发至里德堡态,用于实... 里德堡原子外差技术通过引入辅助本振场可以极大地提升探测灵敏度,在雷达、电子侦察和通信方面具有广阔的应用潜力。本文在一个2 cm长的室温铯原子气室中,利用相向传输的探测光(852 nm)和耦合光(509 nm)将铯原子激发至里德堡态,用于实现里德堡原子光学探测。实验中分别用喇叭天线和平行板波导作为谐振区和非谐振区的微波发射装置,利用里德堡原子外差技术,实现了谐振区2.63 GHz处最小场强为220.94 nV/cm和非谐振区300 MHz处最小场强为19μV/cm的微波电场测量,测量灵敏度分别为-131.9(dBm/cm2)/Hz和-93.2(dBm/cm^(2))/Hz。原则上,通过调谐激光频率激发碱金属原子至不同的里德堡态,并结合谐振区和非谐振区里德堡原子对电场的不同响应,可以在宽带连续频谱范围内实现对微波电场的高灵敏度探测。 展开更多
关键词 遥感与传感器 里德堡原子 外差技术 宽带 电场强度测量
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里德堡原子微波传感器
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作者 蔡明皓 游书航 +1 位作者 徐子珊 刘红平 《导航与控制》 2022年第5期176-184,共9页
微波传感器现广泛应用于商业、军事、勘测等领域,而传统传感器已经无法满足现实的需求,因此需要一种新型微波传感器来实现弱场的测量。针对传统的微波偶极振子传感器灵敏度低、测量时需要校准、自带天线会影响测量、工作频段窄等问题,... 微波传感器现广泛应用于商业、军事、勘测等领域,而传统传感器已经无法满足现实的需求,因此需要一种新型微波传感器来实现弱场的测量。针对传统的微波偶极振子传感器灵敏度低、测量时需要校准、自带天线会影响测量、工作频段窄等问题,介绍了一种基于里德堡原子的微波传感器。这种传感器不仅能够更好地对弱场进行探测,还能传递基带信号,达到无线通信的目的。从基本的物理原理对里德堡原子微波传感器进行了详细的介绍,对掌握微波弱电场探测原理与技术基本知识以及进一步推广和应用具有重要的意义。 展开更多
关键词 里德堡原子 微波跃迁 电偶极矩 传感器
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