Luận án tiến sĩ: Điều khiển lan truyền xung và chuyển mạch quang trong môi trường nguyên tử hai mức suy biến - Lương Thị Yến Nga

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- LƯƠNG THỊ YẾN NGA ĐIỀU KHIỂN LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ HAI MỨC SUY BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN - 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- LƯƠNG THỊ YẾN NGA ĐIỀU KHIỂN LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ HAI MỨC SUY BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9440110 Người hướng dẫn khoa học: GS. TS Nguyễn Huy Bằng NGHỆ AN - 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. TS Nguyễn Huy Bằng. Các kết quả trong luận án là trung thực và được công bố trên các tạp chí chuyên nghiên cứu ở trong nước và quốc tế.

Tác giả luận án Lương Thị Yến Nga i luan an LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Nguyễn Huy Bằng. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy giáo hướng dẫn - người đã giúp đỡ, hướng dẫn tận tình và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và các nghiên cứu sinh của ngành Vật lý - Viện Sư phạm tự nhiên - Trường Đại học Vinh về những ý kiến đóng góp khoa học bổ ích tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian tôi học tập và nghiên cứu khoa học tại trường; xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Minh Đồng đã hỗ trợ và có nhiều ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thiện nội dung luận án.

Tôi cũng xin được cảm ơn Ban giám đốc Trung tâm Thực hành thí nghiệm - Trường Đại học Vinh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho việc học tập và nghiên cứu của tôi trong những năm qua. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ để tôi hoàn thành bản luận án này. Xin trân trọng cảm ơn ! Tác giả luận án ii luan an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN Từ viết tắt Nghĩa Electromagnetically Induced Transparency: Sự trong suốt cảm ứng điện EIT từ. EIA Electromagnetically Induced Absorption: Sự hấp thụ cảm ứng điện từ CPT Coherence Population Trapping: Bẫy độ cư trú kết hợp LWI Lasing Without Inversion: Phát laser khi không có đảo lộn độ cư trú SPM Self-phase Modulation: Tự biến điệu pha NLT Nonlinear Term: Số hạng phi tuyến MSE Maxwell Schrödinger Equation: Phương trình Schrödinger Maxwell Re Real Part: Phần thực Im Imaginary Part: Phần ảo AOS All Optical Switching: Chuyển mạch toàn quang RWA Rotating Wave Approximation: Gần đúng sóng quay SVEA Slowly Varying Envelope Approximation: Gần đúng hàm bao biến thiên chậm CW Continous Wave: Sóng liên tục iii luan an DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Giá trị Nghĩa c 2.998  108 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không Mômen lưỡng cực điện của dịch chuyển dnm C.m n m Ec V/m Cường độ điện trường chùm laser điều khiển Ep V/m Cường độ điện trường chùm laser dò En J Năng lượng riêng của trạng thái n F không thứ nguyên Số lượng tử xung lượng góc toàn phần H J Hamtiltonian toàn phần H0 J Hamiltonian của nguyên tử tự do Hamiltonian tương tác giữa hệ nguyên tử và trường ánh HI J sáng kB 1.38  10-23 J/K Hằng số Boltzmann mRb 1.44  10-25 kg Khối lượng của nguyên tử Rb n không thứ nguyên Chiết suất của môi trường N nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử P C/m2 Độ lớn vectơ phân cực điện (vĩ mô) T K Nhiệt độ tuyệt đối 0 1.85  10-12 F/m Hằng số điện  F/m Độ điện thẩm của môi trường nm Hz Tần số góc của dịch chuyển nguyên tử c Hz Tần số góc của chùm laser điều khiển p Hz Tần số góc của chùm laser dò  Hz Tốc độ phân rã tự phát độ cư trú nguyên tử  Hz Tốc độ suy giảm tự phát độ kết hợp iv luan an vc Hz Tốc độ suy giảm độ kết hợp do va chạm  Không thứ nguyên Ma trận mật độ  Hz Tần số Rabi  Hz Tần số Rabi suy rộng c Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiển p Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser dò Độ lệch giữa tần số của laser điều khiển với tần số c Hz dịch chuyển nguyên tử Độ lệch giữa tần số của laser dò với tần số dịch p Hz chuyển nguyên tử  Hz Khoảng cách giữa các mức năng lượng - Không thứ nguyên Phân cực tròn trái + Không thứ nguyên Phân cực tròn phải µm J/T Mômen từ của nguyên tử B 9.s Hằng số Plank rút gọn v luan an DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.

Sơ đồ chuyển mạch không gian (toàn quang): chùm chuyển mạch tác động vào môi trường phi tuyến làm thay đổi hướng của chùm tín hiệu khi ra khỏi môi trường. Sơ đồ chuyển mạch quang theo thời gian [80]. (a) Hai trạng thái của chuyển mạch: (A) Trạng thái tắt; (B) Trạng thái bật. Chuyển mạch toàn quang mức ánh sáng yếu [80].

Trạng thái động học của chuyển mạch toàn quang mức thấp [80]. Sơ đồ hệ nguyên tử hai mức được kích thích bởi trường laser tần số . Sơ đồ nguyên tử ba mức năng lượng cấu hình Lambda. Nguyên tử ba mức được kích thích bởi hai chùm laser theo cấu hình lambda: (a) sự mô tả trạng thái nguyên tử trần và (b) sự mô tả trạng thái nguyên tử mặc [10].

Hai nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản 1 tới trạng thái kích thích 2 , hình (a): kích thích trực tiếp 1 → 2 và hình (b): kích thích gián tiếp 1 → 2 → 3 → 2 [10]. Sơ đồ cấu trúc các mức năng lượng và laser liên kết đối với hệ nguyên tử 87 Rb loại cấu hình lambda ba mức biểu diễn vạch D2 được lấy từ công trình của Steck năm 2003 [81, 82, 85, 86]. Mô hình chuyển mạch quang tạo bởi môi trường nguyên tử hai mức suy biến được đặt trong từ trường ngoài B, laser dò Ep và laser điều khiển Ec (a). Giản đồ năng lượng của nguyên tử khi chưa có từ trường ngoài (b) và khi có từ trường ngoài (c).

40 vi luan an Hình. Phổ hấp thụ của trường dò theo độ lệch tần của chùm laser dò Δp khi không có từ trường a) B = 0 (đường liền nét màu xanh) và khi có mặt của từ trường (đường đứt nét màu đỏ): b) B = 2c và c) B = -2c. Các tham số khác của hệ được chọn là Ωp = 0.0121, Ωc = 321, c = 0 và γ23 = γ21, tương ứng. Sự tiến triển theo thời gian của xung dò lan truyền (đường liền nét) và từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α với các chu kỳ chuyển mạch khác nhau: (a) 50/γ21; (b) 25/γ21; (c) 10/γ21; (d) 5/γ21.

Các tham số khác được cho: f(ξ= 0,τ) = 1, Ωp = 0,01γ21, Ωc = 3γ21, Δp = Δc = 0, B0 = 2γc (hoặc ΔB = 2γ21), γ23 = γ21, thời gian và khoảng cách lan truyền được tính theo đơn vị γ21-1 và α−1, tương ứng. Sự tiến triển theo thời gian của sự lan truyền xung dò (đường liền nét) và từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) (b) tại độ sâu quang học ξ = 50/α cho cường độ trường liên kết khác nhau: (a) Ωc = 1γ21; (b) Ωc = 2γ21; (c) Ωc = 5γ21; (d) Sự thay đổi của sự hấp thụ chùm dò so với cường độ trường liên kết. Các tham số khác được đưa ra giống như trong Hình 2. Sự tiến triển theo thời gian của tín hiệu xung dò được lan truyền (đường liền nét) và từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α đối với các độ lệch tần của chùm dò khác nhau: (a) Δp = 1γ21; (b) Δp = 2γ21; (c) Δp = 3γ21và (d) Δp = 4γ21.

Các tham số khác được đưa ra giống như trong Hình 2. Sự tiến triển theo thời gian của xung dò lan truyền (đường liền nét) và từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) với độ sâu quang học ξ = 50/α tại các độ lệch tần chùm điều khiển khác nhau: (a) Δc = 1γ21; (b) Δc = 2γ21; (c) Δc = 3γ21 và (d) Δc = 4γ21. Các tham số khác được đưa ra giống như trong Hình 2. Sự biến thiên của các hệ số hấp thụ trường dò là một hàm của cường độ từ trường và độ lệch của trường dò.

Các tham số hệ thống khác được chọn lần lượt là Ωp = 0,01γ21, Ω= = 3γ21, Δc = 0 và γ23 = γ21. Sự tiến triển theo thời gian của trường dò (đường liền nét) và trường điều khiển chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α với chu kỳ chuyển mạch khác nhau: (a) 50/γ21; (b) 25/γ21; (c) 10/ γ21; (d) 5/γ21. Các tham số khác được chọn f(ξ= 0, τ) = 1, Ωp = 0.53 vii luan an Hình 2.9 Sự tiến triển theo thời gian của trường dò (đường liền nét) và trường điều khiển chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α với các giá trị khác nhau của từ trường: (a) B = 1γc; (b) B = 3γc. Các tham số khác được chọn như trong Hình 2.

Sự tiến triển theo thời gian của trường dò được lan truyền (đường liền nét) và từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) (b) ở độ sâu quang học ξ = 50/α và các độ lệch tần laser dò khác nhau: (a) p = 121; (b) p = 221; (c) p = 321 và (d) p = 421. Các tham số khác được chọn như trong Hình 2. Sự tiến tiển theo thời gian của trường dò được lan truyền (đường liền nét) và từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) (b) ở độ sâu quang học ξ = 50/α đối với các độ lệch tần laser điều khiển khác nhau: (a) c = 121; (b) c = 221; (c) c = 321, và (d) c = 421. Các tham số khác được chọn như trong Hình 2.

Cường độ của xung dò tại độ sâu quang học ξ = 30/α tại các giá trị khác nhau của từ trường B. Các tham số khác được chọn: Ωp0 = 0,01γ21, Ωc = 3γ21, Δp = Δc = 0, γ23 = γ21, thời gian và khoảng cách lan truyền được tính theo đơn vị 21-1 và α-1, tương ứng. Cường độ của xung dò ở độ sâu quang học ξ = 30/α tại các giá trị khác nhau của trường điều khiển Ωc.