里德堡原子作为光电阴极的太赫兹成像技术研究

This program will adopt gas-phase alkali metal atoms as THz radiation detector, and develop a new type of two dimensional THz imaging system. The key element of imaging system that converts photons into a detectable charge, is based on a sample of gas-phase atoms in a Rydberg state. When the principal quantum number of Rydberg state is high, the Rydberg electron has a low binding energy, the typical range of binding energy is 1-100meV(0.2-24THz).The adjacent sates energy interval of Rydberg atoms with the same angular quantum number and different principal quantum number is in the range of teraherta pulse, from which the real-time characheristics of terahertz pulse with the wavelength range of 100-500μm can be obtained. And the comparable time scales of terahertz pulses with Rydberg state lifetimes make it possible to detect terahertz radiation using Rydberg atom and analyze the dynamical properties of Rydberg atoms in terahertz laser field. The Rydberg terahertz photocathode does not require temporal overlap between ultrashort pulses and is not restricted to coherent radiation,so has broad prospect for development.The imaging system developed by this project has the advantage of fast imaging,wavelength selective and realizing two-dimensional THz imaging.The successful implementation of this project will open up a new research field of THz imaging technology.

本项目拟采用气相里德堡碱金属原子制成太赫兹辐射探测器，研制新型二维太赫兹成像系统。成像系统的关键部件光电探测器以处于气相的里德堡原子为核心，它可将光子转化为可以监测的电荷。当里德堡态的主量子数很高时，电子具有较低的束缚能，典型的束缚能范围为1-100meV(0.2-24THz),对于角量子数相同，主量子数不同的里德堡原子相邻两个态的能量间隔亦处于太赫兹波段，可以获得100-500μm 波长范围内太赫兹脉冲的实时特征。另外，太赫兹脉冲的时间尺度与里德堡态的寿命相当，这为里德堡原子探测太赫兹辐射以及分析太赫兹场中里德堡原子的动力学特性提供了可能。里德堡原子太赫兹探测器不需要超短脉冲间的时域重叠，又不受太赫兹源相干辐射的限制，具有广阔发展前景。该项目研制的成像系统具有成像速度快，波长具有选择性，可以实现二维太赫兹成像。项目的顺利实施可为太赫兹成像技术开辟新的研究领域。

本项目采用气相里德堡碱金属原子制成太赫兹辐射探测器，研制新型太赫兹探测系统。探测系统的关键部件光电探测器以处于气相的里德堡原子为核心，它可将光子转化为可以监测的电荷。当里德堡态的主量子数很高时，电子具有较低的束缚能，典型的束缚能范围为1-100meV(0.2-24THz)。对于角量子数相同，主量子数不同的里德堡原子相邻两个态的能量间隔亦处于太赫兹波段。另外，太赫兹脉冲的时间尺度与里德堡态的寿命相当，这为里德堡原子探测太赫兹辐射以及分析太赫兹场中里德堡原子的动力学特性提供了可能。里德堡原子太赫兹探测器不需要超短脉冲间的时域重叠，又不受太赫兹源相干辐射的限制，具有广阔发展前景。. 首先，项目组采用含时多态展开方法，研究了太赫兹场中里德堡原子布居数的相干迁移和光致电离规律,着重讨论了半周期脉冲与里德堡原子的相互作用过程。研究结果为实验上在太赫兹频域实现里德堡原子的相干操控以及提高太赫兹场中里德堡原子的离化几率提供了理论基础。研究结果有助于理解太赫兹场中里德堡碱原子选择激发的动力学过程，电离过程以及太赫兹波的辐射过程，并对里德堡原子作为光电阴极的探测系统中的外场设计具有重要意义。. 其次，项目组设计并搭建了基于里德堡原子的THz探测系统，并使用锂金属作为介质，制备了里德堡原子，完成了对THz波探测的初步实验，验证了里德堡原子作为光电阴极探测太赫兹波的可行性。. 此外，项目组还系统地对飞秒激光诱导空气或碱金属蒸气等离子体太赫兹源进行了研究，为今后高能量、宽频谱太赫兹辐射源，以及THz光谱探测等领域的研究和发展奠定了基础。