Lưỡng ổn định quang của buồng cộng hưởng vòng chứa môi trường trong suốt cảm ứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- PHAN VĂN THUẬN LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG CỦA BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG CHỨA MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ NĂM MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- PHAN VĂN THUẬN LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG CỦA BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG CHỨA MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ NĂM MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số : 62.09 NGHỆ AN, 2017 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 PGS. Nguyễn Huy Bằng và PGS. Các kết quả trong luận án là trung thực và được công bố trên các ta ̣p chı́ khoa ho ̣c trong nước và quố c tế. Tác giả luận án Phan Văn Thuận i LỜI CẢM ƠN Luâ ̣n án đươ ̣c hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa ho ̣c của PGS.

Nguyễn Huy Bằ ng và PGS. Tôi xin đươ ̣c bày tỏ lòng biế t ơn chân thành nhấ t đế n tập thể thầ y giáo hướng dẫn - những người đã tâ ̣n tı̀nh giúp tôi nâng cao kiế n thức và tác phong làm việc bằng tất cả sự mẫu mực của người thầ y và tinh thầ n trách nhiê ̣m của người làm khoa ho ̣c. Tôi xin chân thành cảm ơn đế n quý thầ y cô giáo của Trường Đa ̣i ho ̣c Vinh về những ý kiế n đóng góp bổ ıć h cho nô ̣i dung luâ ̣n án, ta ̣o điề u kiê ̣n tố t nhấ t trong thời gian tôi ho ̣c tâ ̣p và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiê ̣u trường THPT Nguyễn Xuân Ôn đã giúp đỡ và ta ̣o mo ̣i điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i cho viê ̣c ho ̣c tâ ̣p và nghiên cứu của tôi trong những năm qua.

Cuố i cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắ c đế n gia đı̀nh, người thân và ba ̣n bè đã quan tâm, đô ̣ng viên và giúp đỡ để tôi hoàn thành bản luâ ̣n án này. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. ix MỞ ĐẦU.

1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG NGUYÊN TỬ. Nguyên lý lưỡng ổn định quang. Buồng cộng hưởng quang. Buồng cộng hưởng Fabry-Perot.

Buồng cộng hưởng vòng. Vật liệu phi tuyến Kerr. Nguyên tử hai mức trong buồng cộng hưởng quang. Lý thuyết trường trung bình.

Lưỡng ổn định quang hấp thụ và tán sắc. Lưỡng ổn định quang hấp thụ. Mô hình của lưỡng ổn định quang hấp thụ. Lý thuyết trường trung bình của lưỡng ổn định quang hấp thụ 30 1.

Lưỡng ổn định quang tán sắc. Mô hình của lưỡng ổn định quang tán sắc. Lý thuyết trường trung bình của lưỡng ổn định quang tán sắc. Lưỡng ổn định quang sử dụng EIT ba mức năng lượng.

36 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1. 41 Chương 2 MÔI TRƯỜNG EIT NĂM MỨC BẬC THANG. Phương trình ma trâ ̣n mâ ̣t đô ̣. Ma trâ ̣n mâ ̣t đô.

Sự tiế n triể n theo thời gian của ma trâ ̣n mật độ. Liên hệ giữa độ cảm điện và ma trận mật độ. Hệ số hấp thụ và tán sắc. Cấu hình kích thích năm mức bậc thang.

Phương trı̀nh ma trâ ̣n mâ ̣t đô ̣ cho hệ nguyên tử năm mức. Nghiệm gần đúng của ma trận mật độ. EIT của hệ nguyên tử năm mức bậc thang. Ảnh hưởng của cường độ laser điề u khiển.

Ảnh hưởng của tầ n số laser điề u khiển. Điều khiển phi tuyế n Kerr. Sự tăng cường phi tuyến Kerr. Điều khiển phi tuyến Kerr theo tầ n số laser.

Điều khiển phi tuyến Kerr theo cường độ laser. Nghiệm chính xác của ma trận mật độ. 69 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2. 75 Chương 3 LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG CỦA BUỒNG CỘNG HƯỞNG VÒNG CHỨA MÔI TRƯỜNG EIT NĂM MỨC NĂNG LƯỢNG.

Phương trình đặc trưng của lưỡng ổn định quang. Đặc trưng lưỡng ổn định quang. Ảnh hưởng của tần số trường laser dò. Ảnh hưởng của tần số trường laser điều khiển.

Ảnh hưởng của cường độ trường laser điều khiển. Ảnh hưởng của tham số liên kết C. Ngưỡng và độ rộng lưỡng ổn định theo tần số trường laser dò. Ngưỡng và độ rộng lưỡng ổn định theo tần số trường laser điều khiển.

Ngưỡng và độ rộng lưỡng ổn định theo cường độ trường laser điều khiển. Ngưỡng và độ rộng lưỡng ổn định theo tham số liên kết C. Ảnh hưởng của các độ kết hợp. Đề xuất mô hình thực nghiệm.

104 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. 107 KẾT LUẬN CHUNG. 109 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ. 111 CÁC BÁO CÁO TRÌNH BÀY TẠI HỘI NGHỊ, HỘI THẢO.

111 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 118 PHỤ LỤC II. 121 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiêụ Đơn vi ̣ Ý nghıã Atomic Optical Bistability (Lưỡng ổn định AOB quang nguyên tử) OB Optical Bistability (Lưỡng ổn định quang) Electromagnetically Induced Transparency EIT (Sự trong suốt cảm ứng điện từ) TEM00 Mode cơ bản F-P Fabry-Perot không thứ Cường đô ̣ liên kế t tỷ đố i giữa các dich ̣ anm nguyên chuyể n của nguyên tử không thứ T Hệ số truyền qua nguyên không thứ R Hệ số phản xạ nguyên I W/m2 Cường đô ̣ sáng Is W/m2 Cường đô ̣ sáng bão hòa II W/m2 Cường độ ánh sáng vào IT W/m2 Cường độ ánh sáng ra không thứ Q Hệ số phẩm chất của buồng cộng hưởng nguyên không thứ Fins Hệ số Độ mịn của buồng cộng hưởng nguyên FSR Hz Khoảng phổ tự do E0 V/m Biên độ sóng tới ER V/m Biên độ sóng phản xạ ET V/m Biên độ sóng truyền qua Không thứ Ni Bậc tự do thứ i nguyên ϕ rad Độ lệch pha giữa sóng tới và sóng phản xạ Khoảng cách giữa hai gương cũng là chiều L m dài buồng mẫu gij - Hằng số liên kết Y V/m Cường độ đầu vào chuẩn hóa v X V/m Cường độ đầu ra chuẩn hóa 2,998 × 108 c Vâ ̣n tố c ánh sáng trong chân không m/s Mômen lưỡng cực điê ̣n của dich ̣ chuyể n dnm C.m n → m Cường đô ̣ điê ̣n trường chùm laser điề u Ec V/m khiể n Ep V/m Cường đô ̣ điê ̣n trường chùm laser dò En J Năng lươ ̣ng riêng của tra ̣ng thái n không thứ F Số lươ ̣ng tử xung lươ ̣ng góc toàn phầ n nguyên H J Hamtilton toàn phầ n H0 J Hamilton của nguyên tử tự do Hamilton tương tác giữa hệ nguyên tử và trường HI J ánh sáng 1,38 × 10-23 kB Hằ ng số Boltzmann J/K 1,44 × 10-25 mRb Khố i lươ ̣ng của nguyên tử Rb kg không thứ n Chiế t suấ t hiê ̣u du ̣ng nguyên không thứ n0 Chiế t suấ t tuyế n tı́nh nguyên n2 m2/W Hê ̣ số phi tuyế n Kerr N nguyên tử/m3 Mâ ̣t đô ̣ nguyên tử P C/m2 Độ lớn véctơ phân cực điê ̣n (vı ̃ mô) P(1) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực tuyế n tı́nh P(2) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực phi tuyế n bâ ̣c hai P(3) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực phi tuyế n bâ ̣c ba T K Nhiê ̣t đô ̣ tuyê ̣t đố i α m-1 Hê ̣ số hấ p thu ̣ tuyế n tı́nh 1,26×10-6 µ0 Đô ̣ từ thẩ m của chân không H/m vi ε0 8,85×10-12F/m Đô ̣ điê ̣n thẩ m của chân không không thứ ε Hằ ng số điê ̣n môi tỷ đố i nguyên ωnm Hz Tầ n số góc của dicḥ chuyể n nguyên tử ωc Hz Tầ n số góc của chùm laser điề u khiể n ωp Hz Tầ n số góc của chùm laser dò Γ Hz Tố c đô ̣ phân rã tự phát đô ̣ cư trú nguyên tử γ Hz Tố c đô ̣ suy giảm tự phát đô ̣ kế t hơ ̣p γvc Hz Tố c đô ̣ suy giảm đô ̣ kế t hơ ̣p do va cha ̣m không thứ χ Đô ̣ cảm điê ̣n của môi trường nguyên tử nguyên không thứ χ′, Re(χ) Phầ n thực của đô ̣ cảm điê ̣n nguyên không thứ χ″, Im(χ) Phầ n ảo của đô ̣ cảm điê ̣n nguyên không thứ χdh Đô ̣ cảm điê ̣n hiê ̣u du ̣ng nguyên không thứ χ(1) Đô ̣ cảm điê ̣n tuyế n tı́nh nguyên χ(2) m/V Đô ̣ cảm điê ̣n phi tuyế n bâ ̣c hai χ(3) m2/V2 Đô ̣ cảm điê ̣n phi tuyế n bâ ̣c ba ρ - Ma trận mâ ̣t đô ̣ ρ(0) - Ma trận mâ ̣t đô ̣ trong gần đúng cấp không ρ(1) - Ma trận mâ ̣t đô ̣ trong gần đúng cấp một ρ(2) - Ma trận mâ ̣t đô ̣ trong gần đúng cấp hai ρ(3) - Ma trận mâ ̣t đô ̣ trong gần đúng cấp ba C - Tham số liên kết Ω Hz Tầ n số Rabi Ω′ Hz Tầ n số Rabi suy rộng Ωc Hz Tầ n số Rabi gây bởi trường laser điề u khiể n Ωp Hz Tầ n số Rabi gây bởi trường laser dò Đô ̣ lê ̣ch giữa tầ n số laser với tầ n số dich ̣ ∆ Hz chuyể n nguyên tử (viết tắt: độ lệch tần số) vii Đô ̣ lê ̣ch giữa tầ n số của laser điề u khiể n với ∆c Hz tầ n số dich ̣ chuyể n nguyên tử Đô ̣ lê ̣ch giữa tầ n số của laser dò với tầ n số ∆p Hz dich ̣ chuyể n nguyên tử Khoảng cách (theo tầ n số ) giữa các mức δ Hz năng lượng viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Đường đặc trưng về mối quan hệ vào - ra của hệ OB (a) và sơ đồ nguyên lí một OB (b).

Sự phản xạ và truyền qua ở bản mặt song song có bề dày d dẫn đến sự giao thoa [44]. Sự phản xạ và truyền qua mặt phân cách của hai môi trường trong suốt [45]. Mô tả sự phản xạ trở lại và truyền qua mặt phân cách giữa hai môi trường tại thời điểm t [45]. Cường độ truyền của bản song song buồng cộng hưởng F - P ứng với các giá trị khác nhau của R (hoặc Q) như được đánh dấu trên công tua truyền.

Ở đây R lớn ứng với Q lớn. Buồng cộng hưởng vòng ba gương với môi trường bên trong buồng cộng hưởng [45]. Mối quan hệ giữa P-E. Đường nét đứt biểu diễn quan hệ tuyến tính và đường cong liền biểu diễn quan hệ phi tuyến giữa độ phân cực cảm ứng P và cường độ điện trường E.