Nghiên cứu sự lan truyền xung laser trong môi trường nguyên tử ba mức khi có mặt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HOANG MINH DONG NGHIEN CUU SU LAN TRUYEN XUNG LASER TRONG MOI TRUONG NGUYEN TU BA MUC KHI CO MAT HIEU UNG EIT LUAN AN TIEN SI VAT Li NGHE AN - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH HOANG MINH DONG NGHIEN CUU SU LAN TRUYEN XUNG LASER TRONG MOI TRUONG NGUYEN TU BA MUC KHI CO MAT HIEU UNG EIT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62.09 Người hướng dẫn khoa học: GS. Đình Xuân Khoa NGHỆ AN - 2017 ii LOI CAM DOAN 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. Các kết quả trong luận án là trung thực và được công bố trên các tạp chí chuyên ngành ở trong nước và quốc tê.

Túc gia luận án Hoàng Minh Đồng iil LỜI CÁM ƠN Luận án được hoàn thành đưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Đinh Xuân Khoa. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thay giáo hướng dẫn - người đã đặt đề tài, giúp đỡ. hướng dẫn tận tình và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy cô giáo, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp và các NCS của khoa Vật lý & Công nghệ 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 nghiên cứu khoa học tại trường. Tôi cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu trường Cao đẳng giao thông vận tải Miền Trung 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 đề tôi hoàn thành bản luận án này. Xin trân trọng cảm ơn ! Túc gia luận án IV DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT TIENG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN | Từ viết tắt Nghĩa EIT CPT LWI .S§PM _GVD SGC Re Im RWA .SVEA j Electromagnetically Induced Transparency — Sự trong suốt cảm ứng điện từ.

Coherence Population Trapping — Bay d6 cu trú kết hợp. | Lasing Without Inversion — Phát laser không có đảo lộn độ cư trú. ị Self-phase modulation — Tự biến điệu pha ị group-velocity dispersion — Tán sắc vận tốc nhóm ị Spontaneously generated coherence — Độ kết hợp được tạo bởi phát ị | xa tu phat Real part — Phan thực Imaginary part — Phần ảo Rotating wave approximation — Gần đúng sóng quay ị Slowly-varying envelope approximation ~ Gần đúng hàm bao biến. thiên chậm DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN nn Pri —_______4.

Ky hiéu Gia tri Nghia c 2,998 x 108 m/s_ | Van téc ánh sáng trong chân không dim Mômen lưỡng cực điện của dịch chuyền |n) |) Ec Cưởng độ điện trường chùm laser điều khiển E, Cường độ điện trường chùm laser En Năng lượng riêng của trạng thái |n) | F Xung lượng góc toàn phần của nguyên tử ị H Hamtilton toan phan 1h Hamilton của nguyên tử tự do ị A Hamilton tuong tác giữa hệ nguyên tử và trường anh sang | kp 138 10 J/K ˆ Hằng số Boltzmann mb 144 x102 kg | Khối lượng xắn nguyên Rb n Chiết suất hiệu dụng N ị Mật độ nguyên tử ị P ị Độ lớn vectơ phân cực điện (vĩ mô) ị cr Nhiệt độ tuyệt đối | Ho 1,26 x 105 H/m_. Độ từ thấm của chân không | & Ì gssa 10'2E/m. Độ điện (hẳn cùa chầm không SỐ é | Hằng số điện môi tý đối Tần số góc của dịch chuyển nguyên tử vi Tần số góc của chùm laser điều khiển Tần số góc của chùm laser | Tốc độ phan ra tu phat | Tốc độ suy giảm tự phát độ kết hợp | _ | Tốc độ suy giảm độ kết hợp do va chạm | Ma trận mật độ Tần số Rabi Tần số Rabi suy rộng Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiên Tần số Rabi gây bởi trường laser Độ lệch giữa tần số laser với tần số dịch chuyên | nguyên tử (viết tắt: đồ lệch tần số) Độ lệch giữa tần số của laser điều khiển với tần số dịch chuyên nguyên tử Độ lệch giữa tần số của laser với tần số dịch chuyền nguyên tử | | Khoảng cách giữa các mức năng lượng | Độ rộng xung Độ rộng Doppler Tham số liên kết nguyên tử với trường Tham số liên kết nguyên tử với trường laser Tham số liên kết nguyên tử với trường laser điều khiển vii - Độ sâu quang học Tốc độ bơm không kết hợp Pha của trường laser | Pha của trường laser điều khiển Độ lệch pha của trường laser và trường laser điều khiên Góc giữa hai mô men lưỡng cực điện viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỎ THỊ Hình Nội dung 1.1 Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử hai mức.2 | Dao động của độ cư trú trong trạng thái kích thích. Ị F——————— 13 - Xung Gaussian với độ rộng xung to = l và diện tich xung Qot = 27.4 | Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình bậc thang tương tác với | ' trường laser và trường laser điều khiển.5 Sơ đồ kích thích nguyên tử ba mức năng lượng cấu hình: (a) bậc thang, (b) lambda va (c) chir V [9].

146 | Nguyén tir ba mite duge kich thich bởi hai trường laser theo cấu hình bậc | thang: (a) sự mô ta trạng thái nguyên tử trần và (b) sự mô tả trạng thái : nguyên tử mặc [66].7 Hai nhánh kích thích nguyên tử tử trạng thái cơ bản |Ì) tới trạng thái |2): “nhánh 1, kích thích trực tiếp |—>|2) và nhánh 2, kích thích gián tiếp. Các mức năng lượng siêu tỉnh tế của nguyên tử Ÿ“Rb [33, 67], thường được sử dụng trong cấu hình bậc thang. ị Sơ đồ hệ nguyên tử ba mức câu hình bậc thang được kích thích bởi trường : laser và trường laser điêu khiên. Sự biến thiên theo thời gian của hàm bao xung laser O;(£,t) khi cố định độ rộng xung to = 25 ps, tại các độ sâu quang học khác nhau: /„é = 0 (màu I _ - 5 | Ix.

xanh liền nét), mẽ =5ng1 (màu đỏ đứt nét), ,„é = 10 ns"! (mau den cham | ị chấm). Cường độ đỉnh và diện tích xung của xung laser điều khiển được cho - như trên hình. Sự biến thiên theo thời gian của hàm bao xung laser Q,(E,t) khi cố định độ rộng xung 1o = 25 ns, tại các độ sâu quang học khác nhau: „ế = 0 (màu xanh liền nét), ;„„ế = 5 ns1 (màu đỏ đứt nét), ;„é = 10 ns (mau den cham chấm). Cường độ đỉnh và diện tích xung của xung laser điều khiển được cho như trên hình.

i Sự biến thiên theo thời gian của các độ cư trú tại các độ sâu quang học khác nhau kyŠ = 0 (đường liền nét) và pp = 10 ns (đường đứt nét). Cường độ đỉnh và diện tích xung của xung laser điều khiến tương ứng là Qa = 10 GHz va San 250. Sự biến thiên theo thời gian của hàm bao xung laser Sức Dk khi cố định độ ị Tộng xung rọ = 0,25 Hs, tại các độ sâu quang học khác nhau: ;„é = 0 (màu xanh liền nét), ;„é = 5 ns! (màu đỏ đứt nét), ;„¿ = 10 ns! (mau den cham - chấm). Cường độ đỉnh và diện tích xung của xung laser điều khiển được cho - như trên hình.

'(a) Sự biến thiên dạng hàm bao của xung laser theo thời gian ro tại độ sâu quang học kyŠ = 5 ns"; (b) Sự biến thiên của biên độ đỉnh của xung laser theo độ sâu quang học tại các độ rộng Doppler khác nhau với độ rộng xung to = Ins a tote = 10 GHz. a) So đồ hệ nguyên tử ba mức cấu hình bậc line được kích thích bởi trường laser và trường laser điều khiến. b) Sự định hướng giữa hai mômen lưỡng cực dụ va dos khi không trực giao. ến n không-thời gia ng laser Q,(E,t | nhau của p= 0 (a), 0,3 (0), 0,7 (c) va 1 (d).

Các tham số khác được sử dụng giá trị khác | 1a: 6 = 0, v1 = 1,2y2 va R=1,2y2. Sự biến thiên của biên độ đỉnh trường laser theo độ sâu quang. học đối với các giác | trị khác nhau của tham số p. Các tham khác được chọn: ÿ = 0 vaR =y1 = 1,2;p.

: Sự tiến triển theo thời gian của xung laser O;(É,r) theo độ lệch pha ở, được ` | biểu diễn dạng ba chiều (a) và hai chiều (b) khi p = 0,7 và uyŠ = 5ns† và R| Ị | = = 1,29. | - Sự biến thiên của Im(pa¡) và Re(pai) theo độ lệch pha khi tham số p=_ 0,7 vaR= TC = 1/22. Sự tiến triển thời gian của xung laser One; +) theo tốc độ bơm kết hợp # tại độ sâu quang học tyŠ = 5ns'!, tham số = 0,7 và độ lệch ingha 6 =0 (a), r (b). xi DANH MUC CAC BANG BIEU Bang Nội dung Pl Chuyén déi cdc đại lượng điện từ giữa hệ don vi SI va Gaussian [2].

P2 Các hằng số vật lí trong hệ đơn vị SI và hệ đơn vị Gaussian [2]. xii MỤC LỤC TONG S0. 1 Chuong 1: LAN TRUYEN XUNG TRONG MOI TRUONG CONG HUONG. Tương tác giữa ánh sáng với nguyên tử hai mức 1:1.

Hình thức luận ma trận mậ Lỗ: cong s2 1103 0660144443261 6166 1. Tiến triển nguyên tử trong gần đúng sóng quay. Dao động Rabi và diện tích xung. Các phương trình Maxwell và phương trình sóng.

Phương trình sóng trong gần đúng hàm bao biến thiên chậm. Sự mở rộng không đồng nhắt. Tương tác giữa ánh sáng với nguyên tử ba mức. Haminton tương tác trong gần đúng sóng quay 1.

Hệ phương trình lan truyền cặp xung laser trong gần đúng hàm bao biên thiên chậm. -- --- 2< S2 S2 S23 SE 2E 2E ££E£#EvEevsevevevcee re 1. Sự bẫy độ cư trú kết hợp. Sự trong suốt cảm ứng điện từ.

Các tính chất vật lý của hệ nguyên tử ba mức .1; Nguyên ttt RD ác 0660602566661646661561645155646545165136518314351585502588688 35 1. Cầu trúc tỉnh tẾ. Cấu trúc siêu tỉnh tẾ. Kết luận chương .--ssessve+tzvvsetsvvsettrrvsetesrrassorre 40 Chuong 2: SU LAN TRUYEN XUNG TRONG MOI TRUONG EIT MO RỘNG KHÔNG ĐỎNG NHẤTT.

Hệ phương trình Maxwell-Bloch cho sự lan truyền xung. 42 9:2: NTũ phống Sổ suannaanggtostniiGiStd5iG1TQGAN0 8801888000013 030030001880 381gưggggog 46 2. Thuật toán Runge-KUlA:. Phương pháp sai phân hữu hạn.

Lan truyền xung trong môi trường mở rộng không đồng nhắt. Xung lan truyền trong miễn pico giây. Xung lan truyền trong miền nano giây. Xung lan truyền trong miền micro giây.

Ảnh hưởng của sự mở rộng Doppler.