Ảnh hưởng của sự định hướng mô men lưỡng cực điện và pha của laser lên đặc trưng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- LÊ THỊ MINH PHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ĐỊNH HƯỚNG MÔ MEN LƯỠNG CỰC ĐIỆN VÀ PHA CỦA LASER LÊN ĐẶC TRƯNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- LÊ THỊ MINH PHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ĐỊNH HƯỚNG MÔ MEN LƯỠNG CỰC ĐIỆN VÀ PHA CỦA LASER LÊN ĐẶC TRƯNG LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG HỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9440110 Người hướng dẫn khoa học: 1. Đinh Xuân Khoa 2. Nguyễn Huy Bằng NGHỆ AN, 2018 ii 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. Đinh Xuân Khoa và PGS.

Nguyễn Huy Bằng. Các kết quả trong luận án là trung thực và được công bố trên các tạp chí khoa học trong nước và quốc tế. Tác giả luận án Lê Thị Minh Phương iii LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Đinh Xuân Khoa và PGS.

Nguyễn Huy Bằng. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến tập thể thầy giáo hướng dẫn - những người đã tận tình giúp tôi nâng cao kiến thức và tác phong làm việc bằng tất cả sự mẫu mực của người thầy và tinh thần trách nhiệm của người làm khoa học. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Lê Văn Đoài cùng quí thầy giáo Trường Đại học Vinh về những ý kiến đóng góp khoa học bổ ích cho nội dung luận án, tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian tôi học tập và thực hiện nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Sài Gòn đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi 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 iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Từ viết tắt Nghĩa AOB Atomic Optical Bistability – Lưỡng ổn định quang nguyên tử. CPT Coherence Population Trapping – Bẫy độ cư trú kết hợp.

EIT Electromagnetically Induced Transparency – Sự trong suốt cảm ứng điện từ. F-P Fabry-Perot Re Real part – Phần thực Im Imaginary part – Phần ảo OB Optical Bistability – Lưỡng ổn định quang. SGC Spontaneously Generated Coherence – Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Nghĩa c 2,998  108 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không C _ Tham số liên kết dnm C.m Mô men lưỡng cực điện của dịch chuyển 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 Xung lượng góc toàn phần của nguyên tử FSR Hz Khoảng phổ tự do H J Hamilton toàn phần H0 J Hamilton của nguyên tử tự do HI J Hamilton tương tác giữa hệ nguyên tử và trường ánh sáng I W/m2 Cường độ chùm ánh 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 hiệu dụng n0 không thứ nguyên Chiết suất tuyến tính n2 m2/W Hệ số phi tuyến Kerr N nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử P C/m2 Độ lớn véctơ phân cực điện (vĩ mô) P(1) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực tuyến tính P(2) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực phi tuyến bậc hai P(3) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực phi tuyến bậc ba vi T K Nhiệt độ tuyệt đối  m-1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 0 1,26  10-6 H/m Độ từ thẩm của chân không 0 8,85  10-12 F/m Độ điện thẩm của chân không  không thứ nguyên Hằng số điện môi 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  Hz Tốc độ suy giảm tự phát độ kết hợp vc Hz Tốc độ suy giảm độ kết hợp do va chạm  không thứ nguyên Độ cảm điện của môi trường nguyên tử , Re() không thứ nguyên Phần thực của độ cảm điện , Im() không thứ nguyên Phần ảo của độ cảm điện dh không thứ nguyên Độ cảm điện hiệu dụng (1) không thứ nguyên Độ cảm điện tuyến tính (2) m/V Độ cảm điện phi tuyến bậc hai (3) m2/V2 Độ cảm điện phi tuyến bậc ba  - Ma trận mật độ (0) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp không (1) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp một (2) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp hai (3) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp ba  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 vii  Hz Độ lệch giữa tần số laser với tần số dịch chuyển nguyên tử (viết tắt: độ lệch tần số) c Hz Độ lệch giữa tần số của laser điều khiển với tần số dịch chuyển nguyên tử p Hz Độ lệch giữa tần số của laser dò với tần số dịch chuyển nguyên tử p rad Pha của trường laser dò c rad Pha của trường laser điều khiển  rad Độ lệch pha của trường laser và trường laser điều khiển  rad Góc giữa hai mô men lưỡng cực điện viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Nội dung 1.

Sơ đồ ba mức năng lượng được kích thích bởi trường laser dò  p và laser điều khiển c theo cấu hình bậc thang (a), cấu hình lambda (b) và cấu hình chữ V (c). Hai kênh dịch chuyển từ trạng thái |1 tới trạng thái |2 tạo thành EIT. Công tua hấp thụ (a) và tán sắc (b): đường liền nét ứng với khi có trường laser điều khiển, còn đường đứt nét ứng với khi không có trường laser điều khiển. Phép đo thực nghiệm giá trị hệ số phi tuyến Kerr khi có EIT (đường chấm vuông) và khi không có EIT (đường chấm tròn), ∆p là độ lệch tần số của trường laser dò.

Hệ quang học có hệ số truyền qua là hàm của cường độ tín hiệu ra.6 (a) Sự phụ thuộc của (Ir) vào Ir, (b) Đường đặc trưng cường độ vào – ra, (c) Đường đứt nét đặc trưng không ổn định.7 Sự phụ thuộc của hệ số truyền qua  vào chiết suất của môi trường phi tuyến.8 Mô hình nguyên tử hai mức tương tác với trường điện từ.9 Buồng cộng hưởng vòng một chiều có 4 gương (M1 – M4) và mẫu nguyên tử có chiều dài L. Gương M3 và M4 phản xạ toàn phần (R = 1). Cường độ trường tới và trường truyền qua tương ứng là E Ip và ETp .10 Trường điện từ trong buồng cộng hưởng F-P với hai gương phẳng.11 Đồ thị lưỡng ổn định quang hấp thụ với các giá trị C khác nhau.12 Chu trình trễ của lưỡng ổn định quang hấp thụ.13 Các mức năng lượng tinh tế và siêu tinh tế của nguyên tử 87Rb. Giao thoa kế Mach-Zehnder phi tuyến dạng vòng có hai gương (M3, M4) và hai bản chia P1 và P2, và mẫu nguyên tử có chiều dài L.

Gương M3 và M4 ix phản xạ toàn phần (R=1). Trường tới và truyền qua tương ứng là E Ip và ETp. Sơ đồ ba mức năng lượng cấu hình lambda. Sự biến thiên của hệ số phi tuyến Kerr n2 theo p tại nhiệt độ T = 300K khi c = 0 và c = 0 (đường gạch gạch), c = 272MHz (đường liền nét).

Đường chấm chấm mô tả hệ số hấp thụ. (a) Sự biến thiên của hệ số phi tuyến Kerr n2 theo c khi p = -7 MHz và c = 0; (b) Sự biến thiên của n2 theo c khi p = 0 và c = 272 MHz. Nhiệt độ môi trường khí nguyên tử là T = 300 K. (a) Đồ thị lưỡng ổn định quang tại một số giá trị của  p.

(b) Sự biến thiên của hệ số phi tuyến Kerr n2 theo độ lệch tần số  p. Các tham số khác được sử dụng là c = 60 MHz,  c = 0 và T = 300 K. Sự phụ thuộc độ rộng lưỡng ổn định theo độ lệch tần số trường laser dò. Các tham số khác được sử dụng là c = 60 MHz,  c = 0 và T = 300 K.

(a) Sự phụ thuộc của lưỡng ổn định quang vào độ lệch tần số chùm laser điều khiển khi c = 60 MHz, p = -5 MHz và T = 300 K. (b) Sự biến đổi phi tuyến Kerr theo độ lệch tần số chùm laser điều khiển. Sự phụ thuộc của độ rộng lưỡng ổn định theo độ lệch tần số trường laser điều khiển.9 (a) Sự phụ thuộc của lưỡng ổn định quang vào cường độ trường laser điều khiển. (b) Sự biến đổi phi tuyến Kerr theo cường độ trường laser điều khiển.

Các tham số khác được chọn là: c = 0, p = -2 MHz và T = 3 00K.10 Sự phụ thuộc của độ rộng lưỡng ổn định theo cường độ trường laser điều khiển. Các tham số khác được chọn là: c = 0, p = -2 MHz và T = 300 K.11 (a) Sự phụ thuộc của lưỡng ổn định quang vào nhiệt độ. (b) Sự biến đổi phi tuyến Kerr theo nhiệt độ. Các tham số được chọn là c = 0, p = -2 MHz và c = 60 MHz.12 Sự phụ thuộc của độ rộng lưỡng ổn định theo nhiệt độ của môi trường khí x nguyên tử khi c = 0, p = -2 MHz và c = 60 MHz.

(a) Sơ đồ hệ nguyên tử ba mức năng lượng cấu hình lambda được kích thích bởi trường laser dò và trường laser điều khiển. (b) Sự định hướng giữa hai mô men lưỡng cực điện d12 và d 23 khi không trực giao. (a) Đồ thị ba chiều của lưỡng ổn định quang theo p. (b) Đồ thị lưỡng ổn định quang tại một số giá trị của tham số p.

Các tham số được sử dụng là c = 4, c = 0, C = 80,  = 0 và  p = 4. Đồ thị hấp thụ của trường laser dò khi có mặt SGC. Các tham số sử dụng trong Hình 3.3 tương tự như Hình 3. Sự phụ thuộc của độ rộng lưỡng ổn định theo tham số p.

Các tham số được sử dụng là c = 4, c = 0, C = 80,  = 0 và  p = 4. (a) Đồ thị ba chiều của lưỡng ổn định quang theo độ lệch pha  .