近日，唐禹副教授团队在里德堡原子微波接收领域取得重要进展。研究团队建立了四能级外差里德堡原子接收机的系统响应理论框架，为接收机的工程应用和性能优化提供了关键的理论支撑。相关研究成果以《Response Analysis of Four-Level Heterodyne Rydberg Atom Receiver》（四能级外差里德堡原子接收机的响应分析）为题发表于IEEE Transactions on Antennas and Propagation。该期刊是天线与电磁领域的国际顶级期刊，在无线电科学与电磁探测领域具有重要影响力。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11361359

近年来，基于里德堡原子的微波探测技术因其高灵敏度、宽频带、SI可追溯等特性成为新型无线接收技术的重要研究方向。其中，四能级外差里德堡原子接收机通过引入微波本振信号使其与目标信号在原子内部发生混频，实现微波信号的自动下变频检测。四能级外差接收机不仅具有极高的灵敏度，并且能够同时提取信号的幅度和相位信息，因此在微波通信和雷达信号接收等领域具有重要的应用潜力。

图1. 四能级外差里德堡原子接收机装置与能级结构示意图

系统响应反映接收机内部对信号的变换和处理规律，是衡量接收机性能的核心物理量。里德堡原子接收机作为区别于传统电子学接收机的新型微波接受技术，其物理原理与电子学接收机完全不同。目前对四能级外差里德堡原子接收机的理论研究主要使用稳态密度矩阵方程求解方法，该方法无法揭示接收机的频率响应特性。

针对这一问题，唐禹团队提出了一种基于频域求解的密度矩阵方程分析方法，获得了四能级外差系统密度矩阵元的动态解解析式，由此建立了系统响应与信号频率及其他关键参数之间的定量关系。团队基于动态解理论系统地讨论了原子热运动、光功率、渡越时间和碰撞等因素对系统响应的影响，并依此推导了接收机的内禀噪声，得到了描述接收机极限灵敏度的解析式。动态解表明，对于目标信号的正负频带，四能级外差系统对应着两个不同的增益系数。通过光外差探测实测正负边带的增益系数，在EIT信号无明显形变时，实验结果与计算结果一致性良好，实现了里德堡原子接收机的瞬时带宽大于10MHz的技术指标。

作为该领域的重要基础理论进展，本成果为里德堡原子接收机在实际应用中的性能评估与参数优化提供了重要理论依据。基于所建立的动态解理论框架，研究团队能够进一步系统分析接收机装置中各类噪声来源，从而评估接收机的灵敏度极限。此外，通过结合光外差检测与正交解调的接收架构，可实现全带宽信号的完整恢复，进一步提升系统的信号检测能力和整体性能。