Luận án: Ảnh hưởng phân cực, pha laser lên tính chất quang môi trường nguyên tử ba mức

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ------------------ LÊ NGUYỄN MAI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9 44 01 10 Cán bộ hướng dẫn: 1. Nguyễn Huy Bằng 2. Lê Văn Đoài NGHỆ AN, 2020 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. Nguyễn Huy Bằng và TS.

Các kết quả trong luận án là trung thực và được công bố trên các tạp chí chuyên ngành ở trong nước và quốc tế. Nghệ An, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Nguyễn Mai Anh iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS. Nguyễn Huy Bằng và TS. Lê Văn Đoài - người đã định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình và luôn động viên, đồng hành sát cánh cùng tôi bằng tất cả sự tận tâm, nhiệt huyết, niềm đam mê khoa học trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Viện Sư phạm Tự nhiên, Chuyên ngành Quang học, Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Vinh và Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học - Trường Đại học Nông Lâm TPHCM đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ của nghiên cứu sinh trong quá trình học tập, nghiên cứu và công tác. Tôi cũng xin được cảm ơn về những bình luận, ý kiến đóng góp khoa học quý báu cho luận án của các nhà khoa học, đồng nghiệp, bạn bè trong những buổi thảo luận seminar và báo cáo chuyên đề của chuyên ngành Quang học tại Trường Đại học Vinh. 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 trong suốt thời gian qua. Nghệ An, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Nguyễn Mai Anh iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ.

CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT QUANG CỦA NGUYÊN TỬ BẰNG LASER. Cơ sở lý thuyết về lan truyền ánh sáng trong môi trường. Phương trình truyền sóng. Sự hấp thụ và tán sắc.

Vận tốc pha và vận tốc nhóm. Vận tốc pha. Vận tốc nhóm. Vận tốc tín hiệu.

Ánh sáng nhanh và ánh sáng chậm. Độ trễ nhóm của xung sáng. Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ. Ứng dụng điều khiển ánh sáng nhanh và ánh sáng chậm.

Bộ nhớ lượng tử. Xử lý thông tin quang. Tăng độ phân giải của giao thoa kế. Kết luận chương 1.

ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN HẤP THỤ VÀ TÁN SẮC. Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình lambda. Hệ phương trình ma trận mật độ. Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát SGC.

Ảnh hưởng của pha tương đối giữa hai trường laser. Nghiệm của hệ phương trình ma trận mật độ. Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình bậc thang. Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình chữ V.

Hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc. Điều khiển hấp thụ và tán sắc. Ảnh hưởng của SGC. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển.

Ảnh hưởng của độ lệch tần số trường điều khiển. Ảnh hưởng của pha tương đối giữa các trường laser. So sánh với kết quả mô phỏng bằng phương pháp số. Kết luận chương 2.

ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN CHIẾT SUẤT NHÓM VÀ ĐỘ TRỄ NHÓM. Chiết suất nhóm và độ trễ nhóm. Chiết suất nhóm. Điều khiển chiết suất nhóm.

Ảnh hưởng của SGC. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển. Ảnh hưởng của tần số trường điều khiển. Ảnh hưởng của pha tương đối giữa các trường laser.

Điều khiển độ trễ nhóm. Ảnh hưởng của SGC lên độ trễ nhóm. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển lên độ trễ nhóm. Ảnh hưởng của tần số trường điều khiển lên độ trễ nhóm.

Ảnh hưởng của pha tương đối lên độ trễ nhóm. So sánh ảnh hưởng của SGC và pha tương đối trong chế độ trường dò yếu và chế độ trường dò mạnh. Ảnh hưởng của SGC trong chế độ trường dò yếu và trường dò mạnh. Ảnh hưởng của pha tương đối trong chế độ trường dò yếu và chế độ trường dò mạnh.

Ảnh hưởng của pha tương đối lên độ trễ nhóm trong chế độ trường dò yếu. Kết luận chương 3 .96 KẾT LUẬN CHUNG. 99 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

111 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CPO Coherent Population Oscillations Dao động độ cư trú kết hợp CPT Coherence Population Trapping Sự giam cầm độ cư trú kết hợp EIT Electromagnetically Induced Transparency Sự trong suốt cảm ứng điện từ EIA Electromagnetically Induced Absorption Hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ LWI Lasing Without Inversion Phát laser khi không có đảo lộn độ cư trú SGC Spontaneously Generated Coherence Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát Re Real part Phần thực Im Imaginary part Phần ảo viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Nghĩa c m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không nm C.m Mômen 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 Số lượng tử mô men góc toàn phần H J Hamtilton toàn phần H0 J Hamilton của nguyên tử tự do HI J Hamilton tương tác giữa hệ nguyên tử và ánh sáng I W/m2 Cường độ chùm ánh sáng kB J/K Hằng số Boltzmann mRb kg Khối lượng của nguyên tử Rb 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  m-1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 0 F/m Hằng số điện của chân không ix 0 H/m Hằng số từ của chân không  F/m Độ điện thẩm của môi trường  H/m Độ từ thẩm của môi trường r không thứ nguyên Độ điện thẩm tỷ đối r không thứ nguyên Độ từ thẩm tỷ đối n0 không thứ nguyên Chiết suất tuyến tính n không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng ng không thứ nguyên Chiết suất nhóm 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 J.s Hằng số Planck rút gọn  Hz Tốc độ phân rã tự phát độ cư trú nguyên tử  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 (1) không thứ nguyên Độ cảm điện bậc 1 (tuyến tính)  - Ma trận mật độ x (0) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp không (1) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp một  Hz Tần số Rabi c Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiển p Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser dò  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 0 (độ) Pha của trường laser dò c 0 (độ) Pha của trường laser điều khiển  0 (độ) Độ lệch pha giữa trường dò và trường điều khiển (pha tương đối)  0 (độ) Góc giữa hai mô men lưỡng cực điện vg m/s Vận tốc nhóm ánh sáng vp m/s Vận tốc pha ánh sáng Tdel ns Độ trễ nhóm ánh sáng xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1. Các công tua hệ số hấp thụ (a), hệ số tán sắc (b) và chiết suất nhóm (c) tại lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử. Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức năng lượng theo cấu hình: (a) lambda, (b) bậc thang, (c) chữ V. Các nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản |1 tới trạng thái kích thích |2: (a) kích thích trực tiếp |1  |2; (b) kích thích gián tiếp |1  |2  |3  |2.

(a) công tua hệ số hấp thụ và (b) hệ số tán sắc. Trong đó, đường liền nét ứng với khi có trường laser điều khiển còn đường đứt nét ứng với khi không có trường laser điều khiển [65]. Sự thay đổi của hấp thụ (màu đỏ), tán sắc (màu đen) theo cường độ Ωc (hình a và b) và tần số Δc (hình c và d) của trường laser điều khiển khi có mặt hiệu ứng EIT được quan sát thực nghiệm ở Trường Đại học Vinh. Sử dụng ánh sáng chậm làm bộ đệm để tăng thông lượng của chuyển mạch quang [63, 70,71].

Sơ đồ đo tán sắc của môi trường nguyên tử sử dụng ánh sáng chậm trong giao thoa kế Mach - Zehnder [63]. Phổ tán sắc cộng hưởng (đường màu đen) của môi trường EIT nguyên tử được đo bằng kỹ thuật giao thoa Mach - Zehnder [75]. (a) Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình Λ và (b) - sự định hướng giữa hai mô men lưỡng cực điện  21 và  23. (a) Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình bậc thang và (b) - sự định hướng không trực giao giữa hai mô men lưỡng cực điện  21 và 32.

(a) Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình chữ V và (b) - sự định hướng không trực giao giữa hai mô men lưỡng cực điện  21 và 31. Các trạng thái được chọn của hệ nguyên tử 85Rb cho cấu hình kích thích ba mức năng lượng: (a) lambda, (b) bậc thang, (c) chữ V. Đồ thị của hệ số hấp thụ theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của tham số giao thoa p = 0. Đồ thị của hệ số tán sắc theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của tham số giao thoa p = 0.