内容简介
里德堡原子接收机是釆用里德堡原子作为媒介对微弱微波电场进行接收探测的新理论、新体制、新方法。《里德堡原子接收机的基础理论与实验》阐述了热里德堡原子电磁感应透明效应及其A-T分裂效应机理；对四能级外差里德堡接收机的动态解模型和响应以及里德堡原子接收机的噪声构成进行了系统性的分析。《里德堡原子接收机的基础理论与实验》对里德堡原子接收机相关的实验环节进行了由浅入深的系统性阐述，包括饱和吸收谱、EIT效应、EIT A-T分裂效应以及适用于里德堡实验的激光稳频系统；对四能级外差里德堡接收机的实验系统进行了搭建并且对相关指标进行了测试。
精彩书摘
第1章绪论
古人对电的认识始于雷电和摩擦起电等自然现象，并且加入了一些如雷公电母这样的神话色彩’这是古人对电这种物理现象的朴素唯物主义认识’并且其中夹練一些唯心主义的成分，随着西方现代科学的发展，人们对电磁现象才有了更系统的认识。
1820年，法国物理学家安培研究了电流之间相互作用力的规律，提出了电能和磁能可以相互转换的观点，发现了电流之间的相互作用力，也就是安培定律。同年，法国物理学家毕奥和萨伐尔发现了恒定电流对附近小磁针指向的影响规律，也就是毕奥-萨伐尔定律。1821年，安培建议可以使用电磁仪器传输信号。
1831年8月，英国物理学家法拉第在前人研究的基础上，通过实验发现了电磁感应定律。置于电磁场中的导体两端会产生感应电动势，感应电流是由导体中的感应电动势产生的，并且感应电流与导体的导电能力成正比。1832年，法拉第根据静电和电流的各种效应，用实验证明摩擦电、磁感应电、温差电、动物电等不同来源的电具有“同一性”，即各种电的内在本质是统一的。1837年，英国人惠斯通发明了电报机，人类进入了远程有线通信时代。
1855～1865年的十年间，英国物理学家麦克斯韦对前人和他自己的工作进行综合概括，形成了麦克斯韦方程组，该方程组揭示了电与磁之间*深刻的物理关系。麦克斯韦通过四个方程组成的方程组阐释了电与磁的作用之间的关系，并揭示了电场和磁场相互转化的规律。麦克斯韦方程组从诞生起就一直被人们认为是世界上*美的物理公式。麦克斯韦预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，速度等于光速。因此得出结论：光就是电磁波。1887年，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。
自赫兹发现电磁波以来，电子学作为一门新兴的学科蓬勃发展，1895年，俄国物理学家波波夫和意大利物理学家马可尼分别成功地进行了无线电通信实验，为人类打开了无线通信世界的大门。1922年，马可尼进行了利用无线电波检测物体的研究，提出了雷达的基本概念，在第二次世界大战中，雷达在欧洲战场中发挥作用。在第二次世界大战后，雷达技术进入了蓬勃发展的时期。
随着电信号在电报电话、通信、雷达方面的应用，电子学与基础物理学渐行渐远，发展成一个*立的学科。随着技术的发展，电子学又派生出更多的学科。学科的细化是一把双刃剑，一方面，学科的细化使研究更加专业化和精细化，使我们能够更深入地探讨特定领域的问题，有助于在特定领域取得突破性进展；另一方面，
学科的细化可能导致研究视野受限，不同学科描述问题使用的工具和语言各异，使跨学科的研究者很难在一起进行深度交流，导致研究者对问题的认识不够全面，并且学科的细化会导致知识的碎片化，忽略各个学科的内在联系和整体性。
电磁波被发现的一百多年来，人们对电磁波的探测和接收都基于偶极子天线理论。然而，近十几年出现的里德堡原子对微波的探测接收技术，也就是利用微波电场影响稀薄碱金属里德堡原子气体的极化特性，从而改变透过该稀薄气体的光的功率实现对微波电场的探测接收。该技术不同于传统的偶极子天线对电磁波的探测接收，采用量子技术为微波的探测接收注入了新的活力。自该项技术出现以来，其*特的探测接收机制受到了国内外学者的广泛关注。里德堡原子接收机技术涉及多个领域的学科，包括基础物理学、光学工程、激光技术以及信息技术，对里德堡原子接收机的研究有助于拓宽我们的视野，融汇各个学科的知识。
1.1传统的微波接收机
在20世纪初，电磁波被发现可以应用于远距离通信和测距之后，电子学技术迎来了蓬勃的发展，微波波段（波长位于1mm～lm的电磁波，频率范围处在300MHz～300GHz）被广泛应用于民用与军事生活中，如无线通信、气象预测、癌症治疗、微波测量与遥感测绘、全球卫星定位系统、测速测距雷达。如图1.1所示，微波波段根据其应用场景被划分为各种子频段。在这些通信以及雷达电子系统中’一个*重要的部分是电磁波的接收，接收机对天线接收到的微弱信号进行放大、变频、滤波，陳抑制外部的干扰杂波使信号保留尽可能多的信息，用于进一步的信号处理和数据处理[1]。
1.1.1天线
现代的通信雷达系统对电磁波接收的基本原理都是基于赫兹进行电磁波试验时的偶极子天线理论。对于传统的通信系统，电磁场本身无法被直接测量，而是需要将电磁场转换为其他的物理量进行探测接收，这个转化接收的过程是由金属天线完成的。金属天线中的自由电子通过感应微波电磁场的电场分量，形成宏观的感应电流，这个电流流经负载电阻转化为易于测量的电压信号，实现了电磁波的接收。
空间中的电磁波以电场和磁场的形式存在，由于金属中存在自由电子，因此在实际中接收电场分量更为方便，假设真空中沿Z方向传输的电磁波的电场分量形式为
（1.1）
式中，？是电磁波的频率；t是波数。由此可以得到电场传播的能流密度或者强度
目录
目录
前言
第1章 绪论
1.1 传统的微波接收机 2
1.1.1 天线 3
1.1.2 超外差接收技术 4
1.1.3 接收机中的噪声 5
1.2 里德堡原子对微波电场测量接收技术的发展历史 8
1.3 本书的内容安排 14
参考文献 15
第2章 量子力学以及里德堡原子的基础知识
2.1 薛定谔方程 17
2.2 碱金属里德堡原子的波函数 20
2.3 原子的精细结构表示与跃迁的选择定则 26
2.4 里德堡原子的寿命 30
2.5 态矢 33
2.5.1 狄拉克符号 33
2.5.2 算符的矩阵表示 34
2.6 绘景 36
2.7 小结 38
参考文献 38
第3章 二能级原子及其吸收特性
3.1 二能级原子与场的相互作用 40
3.1.1 弱场模型 42
3.1.2 强场模型 44
3.2 密度矩阵方程 48
3.2.1 从薛定谔方程到密度矩阵方程 48
3.2.2 密度矩阵中的光场失谐的表示 51
3.2.3 热原子的密度矩阵方程 52
3.3 二能级原子的吸收特性 53
3.3.1 电极化率与吸收系数的关系 54
3.3.2 介质对单方向传输的光的吸收现象 55
3.3.3 介质的饱和吸收谱现象 60
3.4 能级衰减的讨论 64
3.4.1 概率幅度模型处理能级衰减的困难 64
3.4.2 衰减矩阵在动态密度矩阵中的描述 67
3.5 二能级原子的噪声特性 69
3.5.1 理想二能级原子的量子投影噪声 69
3.5.2 存在衰减的二能级原子的量子投影噪声 71
3.5.3 热辐射对 ρba 的影响 72
3.6 关于拉比频率和透射功率的讨论 74
3.6.1 高斯光束平均拉比频率 74
3.6.2 光透过功率的计算 75
3.7 小结 76
参考文献 76
第4章 多能级原子的电磁感应透明效应 77
4.1 三能级原子的EIT模型 77
4.1.1 冷原子的EIT效应 78
4.1.2 热原子的EIT效应 84
4.1.3 激光的线宽与EIT效应的相干性 86
4.2 热辐射对三能级原子ρba的影响 89
4.3 四能级原子的EIT A-T分裂效应 90
4.3.1 四能级冷原子EIT A-T分裂效应 91
4.3.2 四能级热原子EIT A-T分裂效应 99
4.4 热辐射对四能级ρba的影响 102
4.5 四能级原子EIT A-T的参数估计 105
4.5.1 共振频率的估计 105
4.5.2 衰减的估计 106
4.6 小结 107
参考文献 107
第5章 四能级外差里德堡原子接收机对微波电场的响应 108
5.1 四能级外差里德堡原子接收机系统模型 108
5.2 四能级外差里德堡原子接收机对微波的响应 111
5.2.1 四能级外差动态解模型 112
5.2.2 对动态解响应的讨论 119
5.3 级数法分析四能级外差里德堡接收机的动态解 124
5.4 四能级外差里德堡原子接收机的带宽 129
5.4.1 接收机的瞬时带宽 129
5.4.2 接收机的调节带宽 132
5.5 微波电场的恢复 135
5.6 四能级外差里德堡原子接收机的构型 139
5.7 小结 142
参考文献 142
第6章 四能级外差里德堡原子接收机噪声特性分析 143
6.1 四能级外差里德堡接收机的本征噪声 143
6.2 探测器噪声对接收机灵敏度的影响 150
6.3 激光器相位噪声对四能级外差接收机灵敏度的影响 154
6.3.1 激光器的相位噪声模型 154
6.3.2 激光器的相位噪声与接收机灵敏度的关系 156
6.4 探测光和耦合光的随机调制对接收机的影响 160
6.4.1 接收机对探测光的响应 160
6.4.2 接收机对耦合光的响应 164
6.4.3 密度矩阵元的功率谱密度 167
6.5 小结 169
参考文献 170
第7章 里德堡原子接收机相关的基础实验 171
7.1 激光器稳频概述 171
7.2 饱和吸收谱稳频技术 175
7.2.1 饱原子能级 175
7.2.2 饱原子的饱和吸收谱 177
7.2.3 饱和吸收谱稳频 181
7.3 EIT效应观测以及耦合光稳频 184
7.3.1 EIT效应的观测 184
7.3.2 利用EIT效应稳定耦合光频率 190
7.4 四能级原子对单频微波电场的测量 194
7.5 小结 197
参考文献 198
第8章 基于双波长超稳腔的激光稳频系统 199
8.1 双波长超稳腔系统 199
8.1.1 双波长超稳腔系统概述 199
8.1.2 超稳腔的腔模匹配 201
8.1.3 超稳腔零膨胀工作点和精细度测量 203
8.2 PDH稳频技术 205
8.2.1 PDH稳频基本原理 205
8.2.2 PDH稳频的实现 210
8.3 残余幅度调制的补偿 213
8.3.1 RAM的补偿机理 214
8.3.2 RAM反馈补偿的实现 216
8.4 双波长超稳腔任意频率的锁定 217
8.5 小结 221
参考文献 221
第9章 四能级外差里德堡原子接收机性能测试 222
9.1 四能级外差里德堡原子
试读
第1章绪论
古人对电的认识始于雷电和摩擦起电等自然现象，并且加入了一些如雷公电母这样的神话色彩’这是古人对电这种物理现象的朴素唯物主义认识’并且其中夹練一些唯心主义的成分，随着西方现代科学的发展，人们对电磁现象才有了更系统的认识。
1820年，法国物理学家安培研究了电流之间相互作用力的规律，提出了电能和磁能可以相互转换的观点，发现了电流之间的相互作用力，也就是安培定律。同年，法国物理学家毕奥和萨伐尔发现了恒定电流对附近小磁针指向的影响规律，也就是毕奥-萨伐尔定律。1821年，安培建议可以使用电磁仪器传输信号。
1831年8月，英国物理学家法拉第在前人研究的基础上，通过实验发现了电磁感应定律。置于电磁场中的导体两端会产生感应电动势，感应电流是由导体中的感应电动势产生的，并且感应电流与导体的导电能力成正比。1832年，法拉第根据静电和电流的各种效应，用实验证明摩擦电、磁感应电、温差电、动物电等不同来源的电具有“同一性”，即各种电的内在本质是统一的。1837年，英国人惠斯通发明了电报机，人类进入了远程有线通信时代。
1855～1865年的十年间，英国物理学家麦克斯韦对前人和他自己的工作进行综合概括，形成了麦克斯韦方程组，该方程组揭示了电与磁之间*深刻的物理关系。麦克斯韦通过四个方程组成的方程组阐释了电与磁的作用之间的关系，并揭示了电场和磁场相互转化的规律。麦克斯韦方程组从诞生起就一直被人们认为是世界上*美的物理公式。麦克斯韦预言了电磁波的存在，电磁波只可能是横波，速度等于光速。因此得出结论：光就是电磁波。1887年，德国物理学家赫兹通过实验证实了电磁波的存在。
自赫兹发现电磁波以来，电子学作为一门新兴的学科蓬勃发展，1895年，俄国物理学家波波夫和意大利物理学家马可尼分别成功地进行了无线电通信实验，为人类打开了无线通信世界的大门。1922年，马可尼进行了利用无线电波检测物体的研究，提出了雷达的基本概念，在第二次世界大战中，雷达在欧洲战场中发挥作用。在第二次世界大战后，雷达技术进入了蓬勃发展的时期。
随着电信号在电报电话、通信、雷达方面的应用，电子学与基础物理学渐行渐远，发展成一个*立的学科。随着技术的发展，电子学又派生出更多的学科。学科的细化是一把双刃剑，一方面，学科的细化使研究更加专业化和精细化，使我们能够更深入地探讨特定领域的问题，有助于在特定领域取得突破性进展；另一方面，
学科的细化可能导致研究视野受限，不同学科描述问题使用的工具和语言各异，使跨学科的研究者很难在一起进行深度交流，导致研究者对问题的认识不够全面，并且学科的细化会导致知识的碎片化，忽略各个学科的内在联系和整体性。
电磁波被发现的一百多年来，人们对电磁波的探测和接收都基于偶极子天线理论。然而，近十几年出现的里德堡原子对微波的探测接收技术，也就是利用微波电场影响稀薄碱金属里德堡原子气体的极化特性，从而改变透过该稀薄气体的光的功率实现对微波电场的探测接收。该技术不同于传统的偶极子天线对电磁波的探测接收，采用量子技术为微波的探测接收注入了新的活力。自该项技术出现以来，其*特的探测接收机制受到了国内外学者的广泛关注。里德堡原子接收机技术涉及多个领域的学科，包括基础物理学、光学工程、激光技术以及信息技术，对里德堡原子接收机的研究有助于拓宽我们的视野，融汇各个学科的知识。
1.1传统的微波接收机
在20世纪初，电磁波被发现可以应用于远距离通信和测距之后，电子学技术迎来了蓬勃的发展，微波波段（波长位于1mm～lm的电磁波，频率范围处在300MHz～300GHz）被广泛应用于民用与军事生活中，如无线通信、气象预测、癌症治疗、微波测量与遥感测绘、全球卫星定位系统、测速测距雷达。如图1.1所示，微波波段根据其应用场景被划分为各种子频段。在这些通信以及雷达电子系统中’一个*重要的部分是电磁波的接收，接收机对天线接收到的微弱信号进行放大、变频、滤波，陳抑制外部的干扰杂波使信号保留尽可能多的信息，用于进一步的信号处理和数据处理[1]。
1.1.1天线
现代的通信雷达系统对电磁波接收的基本原理都是基于赫兹进行电磁波试验时的偶极子天线理论。对于传统的通信系统，电磁场本身无法被直接测量，而是需要将电磁场转换为其他的物理量进行探测接收，这个转化接收的过程是由金属天线完成的。金属天线中的自由电子通过感应微波电磁场的电场分量，形成宏观的感应电流，这个电流流经负载电阻转化为易于测量的电压信号，实现了电磁波的接收。
空间中的电磁波以电场和磁场的形式存在，由于金属中存在自由电子，因此在实际中接收电场分量更为方便，假设真空中沿Z方向传输的电磁波的电场分量形式为
（1.1）
式中，？是电磁波的频率；t是波数。由此可以得到电场传播的能流密度或者强度
