电光调制里德堡态六、八波混频及其空间成像研究

Atom-based field measurement has made significant progress in reproducibility, accuracy, and resolution. Atoms have been successfully used for magnetometry with high sensitivity and spatial resolution. Rydberg atoms can be easily controlled by electro-optics due to their strong interaction and large polarization. In this project, the Rydberg high order multi-wave mixings in thermal vapor are modulated by external electric field and laser field to control Rydberg atoms, which have applications in external field measuring and large-scale wave source generation. Due to narrow linewidth of Rydberg six- and eight wave mixing, the measurement sensitivity is high and measurement range can be extended from GHz to THz. In addition, the spatial images are obtained in modulation process can be analyzed to achieve the relation between Kerr effect of Rydberg atoms ensemble and refractive index so that spatial light transmission property of Rydberg six- and eight wave mixing can be modulated perfectly.

基于原子场的调制和测量工作在高效性、重复性、精确性以及分辨性方面具有明显的优势。里德堡原子之间具有强的相互作用和大的极化率，可以通过电光调制里德堡原子能级以达到操控其相互作用的目的。本项目通过外部射频电场和激光场在一定动力学范围内调制铷原子热蒸汽中里德堡态高阶非线性效应六、八波混频操控里德堡原子相互作用，并利用电场调制分裂和平移里德堡能级将调制的多波混频分裂光谱用于外电场的测量和不同频率波源的产生，线宽更窄的六、八波混频以及里德堡原子间偶极跃迁的精确调节使得该测量范围可以从GHz频率到THz且具有极高的灵敏度。同时，在电光调制的过程中对其空间传播光斑的成像规律进行采集分析以建立里德堡原子系综折射率与克尔效应之间的依赖关系，实现对里德堡态六、八波混频空间光传输特性（幅度、偏转、分裂、移动）的完美调制。

本项目基于原子体系的调制和测量在高效性、重复性、精确性以及分辨性方面的优势，进行里德堡态高阶非线性效应六、八波混频电光场调制以及空间成像方面的研究。主要研究了光场对里德堡态六波混频的可调参量调制，得到了里德堡原子相互作用与原子能级缀饰作用之间的相互竞争关系。在获得里德堡态六波混频基础上添加更多光场形成八波混频过程，克服了其始终与六波混频共存的困难，通过圆偏振态的探测场激发使得六波混频呈抑制坑形态，对获得的里德堡态八波混频进行了直接的光场调制。在得到光场调制规律的基础上，添加外电场，得到混频光谱分裂和电场强度之间的依赖关系，其结果可用于基于原子体系的外电场测量。细节的研究了光场空间调制下的里德堡态六波混频空间成像规律，获得混频光谱空间传输演化图，建立光场与里德堡原子介质折射率之间关系，并将里德堡态相互作用引入进行相位调制。得到的实验结果是对里德堡原子信息进行读取，通过电场，光场调制来反映其内部信息并将其结果用于外场测量以及空间调制光信息处理。该过程通过激光激发介质并调节系统参数以实现发挥开关，调制，偏转等功能，实现了对混频光传输的全光相干操控，具有一定的实用性，在光通信，光传感，光信息处理以及高分辨成像等领域有着应用前景。