文档名：原子热运动对电场量子测量的影响及修正方法
摘要：基于里德堡原子电磁诱导透明(EIT)效应的电场量子测量方法,能够突破传统基于电学原理、光学原理测量法在测量精度和灵敏度上的极限,并且具有自校准性.采用热里德堡原子进行测量具有工程应用的便捷性,但是原子热运动形成的多普勒效应会导致EIT谱峰发生频移和形变,混淆电场对原子的相干效应,从而影响电场测量精度.基于激光、电场与原子的作用机理,以及原子热力学,该文提出通过调整探测光和耦合光频率,修正原子热运动对电场量子测量影响的方法.首先,假设里德堡原子静止不动,建立和求解密度矩阵方程,描述双光子阶梯型三能级系统的EIT光谱;然后,引入温度与原子运动数学关系,将温度造成的原子热运动多普勒影响量化为探测光和耦合光频率失谐量,通过修正探测光和耦合光的频率来抵消该影响.仿真实验表明,该文提出的修正方法效果良好,该研究有利于推进基于里德堡原子电场量子测量的实用化进程.
Abstract：Thequantummeasurementoftheelectricfieldbasedontheelectromagneticallyinducedtransparency(EIT)effectoftheRydbergatomsurpassesthelimitationsoftraditionalmeasuringmethodsinaccuracyandsensitivity,offeringself-calibrationcapability.Ideally,theelectricfieldismeasuredbystationarycoldatoms.However,preparingcoldatomsrequiresmulti-lasersynergyandgradientmagneticfieldcoilstoreducetheatomtemperature,whichneedscomplexexperimentalsetups,preciseoperationaltechniques,andexpensiveequipment.Usinghotatomsatroomtemperatureisconvenientinengineeringapplications.However,theatom'sthermalmotionaffectstherelativevelocitybetweenatomsandlasers,resultingintheDopplereffect.Accordingly,frequencyshiftsanddeformationsintheEITspectruminterferewiththecoherenteffectoftheelectricfield.MitigatingtheDopplereffectisessentialtoenhancethequantummeasurementaccuracyoftheelectricfieldusinghotRydbergatoms.ThispaperproposesamethodtocorrecttheDopplereffectbyadjustingtheprobeandcouplinglaserfrequencies.Thedensitymatrixequationisestablishedbasedonthemultiphotoninteractionwithatoms.Bysolvingtheequationandderivingthemathematicalrelationshipamongtheabsorptionrateoftheprobelaser,thedispersionrateoftheprobelaser,andthefrequencydetuningofthecoupledlaserintheatomicsystem,anaccuratedescriptionoftheEITeffectisobtained.Then,therelationshipbetweentemperatureandatomicmotionisintroducedtoquantifytheDopplereffectofatomicthermalmotion,whichconvertsatomicthermalmotionintothequantityofprobelaserandcoupledlaserfrequencydetuning.TheDopplereffectontheabsorbanceanddispersionoftheatomicsystemisanalyzed.Finally,theEITspectrumiscorrectedbyreverselyadjustingtheinputfrequencyparametersoflasersbasedonthecalculatedquantities.Simulationsverifytheeffectivenessoftheproposedmethod.TheresultsshowthattheEITabsorptionanddispersioncurvelineisasymmetricwiththeincreaseintemperature.Simultaneously,thedeformationoftheabsorptioncurvereducesthedepthoftheabsorptionwindowandinhomogeneousbroadening,leadingtoafrequencyshiftintheabsorptionspectrum.Theproposedmethodcorrectstheanomaloustrendofthedispersionandabsorptionspectra,eliminatingtheDopplereffectduetotheatom'sthermalmotion.ThequantummeasurementaccuracyoftheelectricfieldisenhancedbasedonRydbergatomsatroomtemperature,whichpromotestheengineeringapplicationprocessofquantummeasurement.
作者：阎晟 肖冬萍 石筑鑫 张淮清 刘卫华Author：YanSheng XiaoDongping ShiZhuxin ZhangHuaiqing LiuWeihua
作者单位：输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学电气工程学院)重庆400044
刊名：电工技术学报 ISTICEIPKU
Journal：TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety
年，卷(期)：2024, 39(10)
分类号：TM930.12
关键词：电场测量 里德堡原子 电磁诱导透明 原子热运动 多普勒效应 修正
Keywords：Electricfieldmeasurement Rydbergatoms electromagneticallyinducedtransparency(EIT) thermalmotionofatoms Dopplereffect correction
机标分类号：O431.2O562TN99
在线出版日期：2024年5月31日
基金项目：国家自然科学基金，民用航天技术预先研究项目原子热运动对电场量子测量的影响及修正方法[
期刊论文] 电工技术学报--2024, 39(10)阎晟 肖冬萍 石筑鑫 张淮清 刘卫华基于里德堡原子电磁诱导透明(EIT)效应的电场量子测量方法,能够突破传统基于电学原理、光学原理测量法在测量精度和灵敏度上的极限,并且具有自校准性.采用热里德堡原子进行测量具有工程应用的便捷性,但是原子热运动形成的...参考文献和引证文献
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