基于微加工原子蒸汽室的宽带瞬时带宽微波频谱分析仪

我们报告了在大磁场梯度下，利用微加工蒸汽室中的热$^{87}\mathrm{Rb}$原子进行宽带瞬时带宽微波频谱分析。该传感器是一个MEMS原子蒸汽室，填充有同位素纯的$^{87}\mathrm{Rb}$和$\mathrm{N}_2$缓冲气体，以限制原子的运动。感兴趣的微波信号通过共面波导耦合到蒸汽室，诱导原子在光泵浦基态之间发生自旋翻转跃迁。具有大梯度的静态磁场将输入微波信号的$\textit{频谱}$映射到用激光束记录在相机上的蒸汽室吸收图像中位置依赖的$\textit{自旋翻转图案}$。在我们的原理验证实验中，我们展示了一个微波频谱分析仪，其瞬时带宽约为1 GHz（中心频率约13 GHz），频率分辨率为3 MHz，刷新率为2 kHz，在1秒测量时间内单音微波功率检测限为-23 dBm。我们构建了一个理论模型，通过考虑光泵浦、微波相互作用、$^{87}\mathrm{Rb}$原子扩散和激光吸收的过程来模拟图像信号。我们期望在优化设置中达到超过25 GHz的瞬时带宽，这受限于所施加的磁场梯度。我们的演示为基于电子外差检测的传统微波频谱分析仪提供了一种实用的替代方案。