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利用高激发态里德堡原子对太赫兹波的频率上转换探测研究

批准号:
62075179
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
侯磊
依托单位:
学科分类:
红外与太赫兹物理及技术
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
侯磊

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
缺少灵敏度高、响应速度快的室温太赫兹(THz)波探测器是制约THz技术发展的瓶颈之一,本项目提出利用惰性气体放电产生具有较大主量子数的高激发态里德堡原子在THz电场下的Stark效应对THz波进行频率上转换探测的新方法。利用多通道量子亏损理论研究氖、氩的里德堡原子能级结构及光谱特征,探索THz波作用下里德堡原子数量、能级的变化,揭示THz电场下里德堡原子的Stark效应;研究放电气体发光强度变化与THz波场强的关系,阐明利用惰性气体里德堡原子对THz波进行频率上转换的机制。利用正交实验法研究气体组分、压强、放电电压等参量对频率上转换效应的影响规律;研制出转换效率>1%、噪声等效功率<0.1pW/Hz^(1/2)、频谱响应范围0.1-10THz的室温THz波探测器及实时无像素成像器件,成像速度20帧/秒。本项目对推动THz波探测技术的发展及THz波与里德堡原子作用机理研究具有重要意义。
英文摘要
Lack of room temperature terahertz (THz) wave detectors with high sensitivity and fast response speed is one of the bottlenecks restricting the development of THz technology. This project proposes a new method for frequency up-conversion detection of THz wave by using the Stark effect of high excited Rydberg atoms with large principal quantum number produced by discharging inert gases in THz electric field. The energy level structure and spectral characteristics of Rydberg state atoms of Neon and Argon will be studied by using multi-channel quantum defect theory, the variations of number and energy level of Rydberg state atoms under THz wave will be investigated, and the Stark effect of Rydberg state atoms under THz electric field will be revealed. The relationship between the intensity of discharge gas emission and the intensity of THz wave will be studied, and the mechanism of frequency up-conversion of THz wave by using Rydberg atom of inert gas will be clarified. The orthogonal experiment method will be used to investigate the influence of gas composition, pressure, discharge voltage and other parameters on frequency up-conversion effect; a room temperature operated THz wave detector with the conversion efficiency of over 1%, noise equivalent power of less than 0.1 pW/Hz^(1/2) and spectrum response range of 0.1-10 THz and a real-time pixel-free imaging system with the imaging speed of 20 frames/second will be developed. This project is of great significance in promoting THz wave detection technology and investigating the interaction mechanism between THz waves and Rydberg atoms.
太赫兹(THz)电磁波由于其独特的性质在生物医学、材料检测等重要领域具有巨大的应用前景,然而缺少灵敏度高、响应速度快的室温THz波探测器是制约THz技术发展的瓶颈之一,本项目提出利用对外电场极其敏感的里德堡原子对THz波进行高灵敏检测的新方法。理论研究了惰性气体放电产生等离子体中电子的密度、温度及放电区间电势的分布随时间变化规律,并利用THz时域光谱系统对放电气体的特性进行了诊断,揭示高激发态里德堡原子与THz波的作用规律。构建了四能级和五能级里德堡原子系统,求解Lindblad主方程获得探测光透射EIT/EIA光谱的数值解,以及在THz波作用下由于Stark效应产生的AT分裂现象,利用分裂间隔与THz波强度成正比的关系实现对THz波的检测。研究了激光拉比频率等参数原子布居的影响规律,进而分析EIT和EIA效应的产生原因,最终获得探测器灵敏度的影响因素,探测器的噪声等效功率可达10^(-20)W/Hz^(1/2)量级,远远好于目前使用的THz探测器。研究了THz波作用下放电气体中电子的动力学行为,得到电子从THz波中获得能量激发里德堡原子引起能级变化,高能级电子向低能级跃迁引起发光光强变化,光强的改变量与THz波功率成正比,为实现THz频率上转换探测奠定了理论基础。实验上,设计了交流偏置电路、控制电路及数据采集电路,研制出频率上转换THz波探测器及其成像阵列,并实现了THz实时成像。发表论文 21 篇,其中 SCI 收录 11 篇,EI 收录 7 篇。 授权中国发明专利 1 项,美国发明专利1项,申请中国发明专利 2 项,出版专著1部。 获得“陕西省物理学会科学技术奖”特等奖一项,项目负责人被评为陕西省“特支计划”——科技创新领军人才。本项目对推动THz波探测技术的发展及THz波与里德堡原子作用机理研究具有重要意义。
集成高灵敏里德堡原子探测器与场增强BICs的痕量生化物质THz传感研究
  • 批准号:
    62435015
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    231.00万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    侯磊
  • 依托单位:
基于微等离子体的太赫兹波焦平面实时成像阵列的研究
  • 批准号:
    61575161
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    侯磊
  • 依托单位:
太赫兹波辉光放电探测器的研制及机理研究
  • 批准号:
    61007060
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万元
  • 批准年份:
    2010
  • 负责人:
    侯磊
  • 依托单位:
国内基金
海外基金