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| 編輯推薦： |
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前沿科技融合：本书将里德堡原子的特性与微波传感器构建相结合，利用里德堡电磁诱导透明实现可溯源到国际标准单位制的微波传感器，展现了物理学科前沿科技的融合与应用。创新方法提出：书中首次提出了多载波调制技术，有效抑制了光场噪声，提高了测量精度。同时，还首次实验上采用光学谐振腔与里德堡原子的强耦合效应，实现了微波场强度的精确测量，为微波传感领域带来了新的突破。量子效应应用：书中通过构建多种能级结构的里德堡原子系统，利用多微波辅助的量子相干效应，实现了弱场条件下里德堡原子相干光谱分辨率的提高，展现了量子效应在微波传感中的强大潜力。实用性强：本书不仅提供了里德堡原子与微波传感结合的理论依据，还详细介绍了实验方法和技术，对从事原子分子物理、微波传感、量子通信等领域的研究人员具有极高的实用价值。专业性强：本书涉及的内容是物理学科的前沿领域，专业性强，可供有关专业技术人员参考使用。研究价值高：书中提出的多载波调制技术、光学谐振腔与里德堡原子的强耦合效应以及多微波辅助的量子相干效应等创新方法，不仅有助于推动微波传感技术的发展，也为原子分子物理、量子通信等领域的研究提供了新的思路和方法，具有很高的研究价值。
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| 內容簡介： |
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本书主要利用里德堡原子半径大、辐射寿命长、跃迁偶极矩大和极化率大等特性，通过里德堡电磁诱导透明实现可溯源到国际标准单位制的微波传感器的构建。首先，通过微波-光学的激发方法实现里德堡原子P 3/2 和F 7/2系列量子亏损的测量；其次，利用多载波调制技术精确测量里德堡相干光谱的Autler-Townes 分裂，并通过光学谐振腔与里德堡原子的强耦合效应进一步提高里德堡态相干光谱的信噪比；最后，通过构建多种能级结构的里德堡原子系统，利用多微波辅助的量子相干效应，实现弱场条件下里德堡原子相干光谱分辨率的提升。本书的特色是提出多载波调制技术，实现光场噪声的有效抑制。首次在实验上采用光学谐振腔与里德堡原子的强耦合效应实现了微波场强度的精确测量；并利用多微波辅助的量子相干效应实现弱微波场强度的高效检测。本书可以作为高等院校从事原子分子物理、微波传感、量子通信等相关领域研究人员的参考用书，对有关专业技术人员也有一定的参考价值。
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| 目錄：
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第1章 绪论 001
1.1 里德堡原子 002
1.1.1 碱金属里德堡原子的基本性质及制备 002
1.1.2 外场中的里德堡原子 007
1.1.3 里德堡原子的应用 011
1.2 里德堡原子相干光谱的研究进展 018
1.2.1 基于微波场辅助的里德堡EIT光谱 018
1.2.2 基于里德堡EIT光谱的微波场强测量 019
1.2.3 里德堡态的跃迁能量测量 022
1.2.4 里德堡态的量子亏损研究 023
1.3 本书主要内容及章节安排 025
第2章 微波场中里德堡原子激发跃迁理论研究 027
2.1 里德堡原子的量子亏损理论研究 028
2.1.1 里德堡原子的波函数 028
2.1.2 相邻里德堡态的跃迁矩阵元 030
2.1.3 里德堡态的量子亏损 032
2.2 基于里德堡原子的微波场辅助EIT 光谱理论研究 034
2.2.1 三能级系统的密度矩阵方程及稳态解 034
2.2.2 微波场辅助的四能级系统密度矩阵方程及稳态解 037
2.2.3 光学腔辅助的四能级系统理论模型 039
2.2.4 微波场辅助的五能级系统密度矩阵方程及稳态解 041
2.3 本章小结 045
第3章 基于微波场辅助里德堡EIT 光谱的量子亏损测量 047
3.1 微波-光学跃迁光谱 050
3.1.1 微波场的单光子激发 050
3.1.2 微波场的双光子激发 055
3.2 微波场辅助的里德堡EIT 光谱 060
3.2.1 微波场辅助里德堡EIT光谱的理论模型 060
3.2.2 微波场辅助里德堡EIT光谱的实验研究 063
3.2.3 里德堡态跃迁能量的精密测量 067
3.3 里德堡态量子亏损的精密测量 068
3.3.1 nP和nF态量子亏损的精密测量 068
3.3.2 量子亏损测量结果的评估与讨论 070
3.4 本章小结 070
第4章 高分辨率里德堡原子相干光谱实验分析 073
4.1 基于里德堡原子的微波场辅助EIT 光谱 074
4.1.1 里德堡原子的EIT-ATS效应 074
4.1.2 失谐微波场辅助的里德堡EIT光谱 079
4.1.3 多载波调制的高分辨率EIT光谱 080
4.1.4 基于AT分裂方法的微波场强测量 082
4.2 基于光学腔辅助的里德堡EIT 光谱 083
4.2.1 光学谐振腔的基本原理及系统搭建 083
4.2.2 光学腔的强耦合效应研究 089
4.2.3 光学腔辅助的里德堡EIT光谱 093
4.2.4 光学腔辅助的微波场强测量 096
4.3 本章小结 097
第5章 双微波辅助里德堡原子相干光谱的电场测量 099
5.1 双微波场辅助的里德堡CPT 效应 100
5.1.1 实验系统搭建 100
5.1.2 双微波场辅助的里德堡CPT光谱 102
5.1.3 功率调谐的微波辅助里德堡CPT光谱 103
5.1.4 失谐微波场辅助的里德堡CPT光谱 106
5.2 双微波辅助里德堡EIT 光谱的电场测量 107
5.2.1 双微波辅助里德堡EIT光谱的微波电场测量的理论模型 107
5.2.2 实验装置搭建 109
5.2.3 双微波辅助里德堡EIT光谱研究 111
5.2.4 双微波辅助的微波场强测量 113
5.3 本章小结与研究展望 115
参考文献 117
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| 內容試閱：
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量子相干是光与原子相互作用的量子干涉问题，在量子光学发展过程中备受人们的关注。量子相干效应主要有相干布居俘获、电磁诱导透明、无反转激光和受激拉曼绝热转移等。通过电磁诱导透明效应可以有效操控介质的吸收和色散特性，基于电磁诱导透明效应还可以实现光速减慢和光存储。因此，电磁诱导透明效应被广泛地应用在非线性光学、高精密光谱、量子态操控和量子信息存储等研究领域。
近年来，由于微波具有定向传播、准光学特性和传输特性好等优势，在雷达通信、雷达探测和航空航天等领域发挥着重要的作用。微波场的强度和相位测量是微波场使用过程中的两个重要参数，尤其在雷达通信和航空航天等领域，通过发射和接收微波场携带的信息可以有效实现信息的传输，在此过程中对微弱信号的高效测量尤为重要。在雷达探测过程中，通过测量微波场相位的变化可以对目标物体位置实现实时跟踪。此外，通过对微波场进行精确测量，可以将其应用于固体材料的微波光学性质研究、电场强度控制、高分辨天气雷达以及生物医学成像等领域。偶极天线等传统的微波测量技术测量精度较低、测量灵敏度不高，已无法满足目前微波测量的精度要求。因此，开发新型高效的微波测量技术，加快微波天线和微波器件的设计与开发是目前微波测量领域急需解决的问题。
里德堡原子是指原子中的一个电子被激发到高量子态的高激发态原子，具有半径大、辐射寿命长、跃迁偶极矩大和极化率大等特点，是原子分子光物理领域的一个重要研究方向。利用里德堡原子电磁诱导透明效应可以获得高分辨率的里德堡相干光谱，利用里德堡原子对外场的高灵敏性，通过里德堡电磁诱导透明可以实现可溯源到国际标准单位制的微弱外场测量。本书主要有以下几方面内容。
① 介绍里德堡原子的一些基本性质和制备方法，通过研究外场作用时里德堡原子的变化介绍里德堡原子的相关应用。重点介绍里德堡原子在里德堡EIT光谱、微波场强度测量、里德堡态跃迁能量以及量子亏损测量等方面的研究进展。
② 建立多能级里德堡原子系统的模型，通过密度矩阵求解该系统处于平衡状态时的稳态解，获得里德堡原子的极化率。理论构建基于光学谐振腔的里德堡原子系统，通过理论计算发现该系统相比于无腔的情况，相干效应得到有效增强。理论分析里德堡跃迁频率与量子亏损的关系，根据不同里德堡态的共振跃迁频率获取相应能级的量子亏损。
③ 利用微波-光学的激发方法测量P3/2 和F7/2 系列里德堡态的量子亏损。通过频率失谐的光场和微波场激发原子获得nP3/2 和nF7/2 里德堡态相干光谱，该激发方式可以有效抑制原子介质对探测场的吸收，在共振位置实现透明。详细研究微波场强度对里德堡电磁诱导透明光谱透射峰幅度和半高全宽的影响，和理论计算相吻合。利用实验测得的里德堡态跃迁频率与微波场强度的关系，通过外推法获得微波场强度为零时nP3/2 和nF7/2 态的共振跃迁频率，获得对应能级的量子亏损。
④ 利用多载波调制技术精确测量里德堡相干光谱的Autler-Townes分裂。将弱探测光、强耦合光和微波场共同作用在充有铷原子的样品池上，获得里德堡态的相干光谱。研究微波场频率对里德堡相干光谱的影响，通过频率调制和幅度调制相结合的多载波调制技术有效提高相干光谱的信噪比。利用该里德堡相干光谱可以实现微波场强度的精密测量。
⑤ 通过光学谐振腔与里德堡原子的强耦合效应进一步提高里德堡态相干光谱的信噪比。自行设计和搭建大自由光谱区、高精细度的四镜环形光学谐振腔。将铷原子蒸气池置于光学谐振腔内，通过扫描探测光频率来获得腔辅助里德堡态电磁诱导透明光谱。研究了原子密度、耦合光强度对里德堡态电磁诱导透明光谱的影响，根据微波场测量机制，获得最优化的耦合光强度。将微波场引入该原子系统，通过腔辅助里德堡相干光谱实现微波场强度的测量。
⑥ 通过构建多种能级结构的里德堡原子系统，获得高分辨率的里德堡原子相干光谱。利用双光子跃迁获得里德堡原子，通过两个不同的微波场与里德堡原子相互作用获得的相干光谱，研究系统中Autler-Townes效应和相干布居转移效应的基本特性，分析微波场功率和频率对相干光谱的影响。在最优的实验参数下，可以将相干布居转移效应的转移效率提升至约2.9%。
⑦ 利用多微波辅助的量子相干效应，实现弱场条件下里德堡原子相干光谱分辨率的提高。研究两个微波场的功率对弱场条件下里德堡原子相干光谱分辨率的影响，获得最优实验参数。在辅助微波场和目标微波场的最优功率比值区间内，通过高分辨率的里德堡原子相干光谱实现低于0.20mV·cm-1 的目标微波场电场强度的有效测量。该方法的最小可测量场强约为6.71μV·cm-1，与无辅助微波场的情况相比，提高约33倍。
本书是笔者在光与原子相互作用、原子微波传感领域研究成果的有机结合，研究内容受到山西省高等学校科技创新计划项目(2023L411)和山西工程科技职业大学的资助，在此表示感谢。
限于笔者水平，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请读者和各位专家批评指正。
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