Luận án nghiên cứu xung và chuyển mạch toàn quang - Nguyễn Thị Thu Hiền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----⁂----- NGUYỄN THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2024 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----⁂----- NGUYỄN THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9 44 01 10 Người hướng dẫn khoa học: 1. Nguyễn Huy Bằng 2. Hoàng Minh Đồng NGHỆ AN, 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Nguyễn Huy Bằng và TS.

Hoàng Minh Đồng. 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 Nguyễn Thị Thu Hiền ii LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS. Nguyễn Huy Bằng và TS.

Hoàng Minh Đồng. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến GS.TS Nguyễn Huy Bằng, người đã tin tưởng giới thiệu cho tôi lĩnh vực nghiên cứu mà Thầy đang thực hiện và làm chỗ dựa vững chắc về mặt khoa học cũng như tạo điều kiện để tôi được an tâm thực hiện đề tài nghiên cứu nhờ vậy mà tôi có được cơ hội để tận hưởng những trải nghiệm trong nghiên cứu vật lý đúng nghĩa. Bên cạnh đó, TS. Hoàng Minh Đồng là người luôn tận tình chỉ dẫn từng bước trên con đường nghiên cứu khoa học.

Những ý tưởng và định hướng của Thầy đã giúp tôi làm việc đúng hướng và có hiệu quả cao. Nhờ có tập thể giáo viên hướng dẫn đã giúp tôi nâng cao kiến thức khoa học, tác phong nghiên cứu cũng như tinh thần làm việc có trách nhiệm của mình. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa vật lý, thầy giáo GS. Đinh Xuân Khoa, PGS.

Lê Văn Đoài cùng quý thầy, cô giáo trong chuyên ngành Quang học 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, chủ nhiệm khoa Khoa học Ứng dụng Trường Đại học Công Thương TP. Hồ Chí Minh 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, những 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 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Từ viết tắt Nghĩa AOS All-Optical Switching - Chuyển mạch toàn quang. CW Continuous Wave - sóng liên tục. EIA Electromagnetically Induced Absorption – Sự hấp thụ cảm ứng điện từ. EIT Electromagnetically Induced Transparency – Sự trong suốt cảm ứng điện từ.

OB Optical bistability – Lưỡng ổn định quang. OM Optical Multistability – Đa ổn định quang. OS Optical Switching – Chuyển mạch quang. RF Radio Frequency – Tần số vô tuyến.

SGC Spontaneously Generated Coherence – Độ kết hợp phát xạ tự phát. TOC Transfer of coherence – Chuyển dời độ kết hợp. TOP Transfer of population – Chuyển dời độ cư trú. TSI Time slot interchange – Chuyển mạch đổi chỗ các khe thời gian.

TST Time - Space - Time – Chuyển mạch thời gian - không gian - thời gian. iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị (SI) Nghĩa c m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không µnm C.m Momen lưỡng cực điện của dịch chuyển n  m Ec V/m Cường độ điện trường của chùm laser điều khiển Ep V/m Cường độ điện trường của chùm laser dò Hint J Hamilton tương tác toàn phần giữa hệ nguyên tử và trường ánh sáng N nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử P C/m2 Độ lớn vector phân cực điện (vĩ mô) 0 H/m Độ từ thẩm của chân không 0 F/m Độ điện thẩm của chân không  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 ij không thứ nguyên Phần tử ma trận mật độ v c Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiển p Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser dò B T Từ trường ngoài 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 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Nội dung 1. Hệ nguyên tử ba mức cấu hình Λ được kích thích bởi trường dò (có tần số góc ωp và tần số Rabi là Ωp) và trường điều khiển (có tần số góc ωc và tần số Rabi là Ωc). Sơ đồ mức năng lượng trong cấu trúc tinh tế và siêu tinh tế ứng với dịch chuyển D1 của nguyên tử 87Rb.

Hiệu ứng Zeeman thường. Tách các trạng thái suy biến ở mức nguyên tử với F = 2 khi có từ trường (a). Định nghĩa các quan sát dọc và quan sát sang ngang theo trục z (b). Hiệu ứng Zeeman chuẩn cho dịch chuyển P - D.

Từ trường tách các mức suy biến mF bằng nhau (a). Vạch quang phổ tách thành bộ ba vạch khi được quan sát ngang với từ trường (b). Tuế sai chậm của J về B trong hiệu ứng Zeeman dị thường (a). Xác định các góc chiếu θ1 và θ2 được sử dụng trong tính toán hệ số Lande g (b).6 Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức năng lượng theo cấu hình: lambda (a), bậc thang (b), chữ V (c).7 Các nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản |1 tới trạng thái kích thích |2: kích thích trực tiếp |1  |2 (a); kích thích gián tiếp |3  |2  |1  |2 (b).8 Đồ thị biểu diễn hệ số hấp thụ (đường liền nét) và tán sắc (đường đứt nét) khi có hiệu ứng EIT.9 Momen lưỡng cực của các trường đặt vào hệ nguyên tử ba mức Λ.10 Một máy quét quang học như một công tắc (1 x N) (a).

Công tắc chuyển mạch (1 x 1) (b). Công tắc chuyển mạch (2 x 2) (c).11 Thời gian chuyển mạch quang của các tác nhân khác nhau.12 Chuyển mạch điện quang.13 Các thuộc tính của chùm tia quang có thể được sử dụng để biến điệu, ghép kênh, định tuyến và chuyển mạch.14 Chuyển mạch của một hệ chùm tia quang đi vào M cổng đầu vào để đi ra một hoặc một vài trong số N cổng đầu ra.16 Chuyển mạch không gian (a). Chuyển mạch thời gian (b).17 Chuyển mạch Thời gian-Không gian-Thời gian.1 Mô hình biểu diễn hàm truyền và cơ chế phản hồi ngược.2 Mối quan hệ đầu ra so với đầu vào của thiết bị. Đường đứt nét thể hiện trạng thái không ổn định.3 Hệ lưỡng ổn định quang hoạt động như một công tắc chuyển mạch hoặc "cầu bập bênh".4 Hệ lưỡng ổn định quang tán sắc (a).

Hệ lưỡng ổn định quang hấp thụ (b).5 Hệ nguyên tử hai mức suy biến cấu hình lambda (a); hệ nguyên tử hai mức suy biến cấu hình chữ V (b).6 Buồng cộng hưởng vòng dán tiếp chứa mẫu nguyên tử có chiều dài L.7 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của trường điều khiển trong cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 200, B = 2γc.8 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của trường điều khiển trong cấu hình chữ V. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 150, B = 3.9 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của tham số C trong cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, B = 2γc.10 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của tham số C trong cấu hình chữ V.

Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, B = 3.11 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của từ trường trong cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 200 (a). Đồ thị phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào độ lớn từ trường B trong cấu hình lambda (b).12 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của từ trường trong cấu hình chữ V. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 150 (a).

Đồ thị phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào độ lớn từ trường B trong cấu hình chữ V (b).13 Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của từ trường B khi pha tương đối cố định tại ϕ = π/6 trong cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 200.14 Sơ đồ nguyên tử năm mức cấu hình Λ+Ξ khi có từ trường tĩnh tác động (a). Mức năng lượng liên quan của các nguyên tử 87Rb với các trạng thái nguyên tử được ký hiệu lần lượt là 1〉, |2〉, |3〉, |4〉, và |5〉 (b).15 Buồng cộng hưởng vòng một chiều chứa N nguyên tử trong mẫu có chiều dài L, E pI và E Tp lần lượt là trường tới và trường truyền qua.16 Đồ thị cường độ vào - ra đối với hai thành phần phân cực trái σ- và phân cực phải σ+ tại Δp = ΔB = ±3γ (hoặc B = ±3γc) (a) và tại Δp = -ΔB = ±3γ (hoặc B = ± 3γc) (b). Các tham số khác được chọn là: Ωc = Ωd = 3, C= 200, và c = d = 0.17 Phổ hấp thụ của trường dò khi B = 0 (a) và khi B = 3γc (b).

Các tham số khác được chọn là: Ωc = Ωd = 3, C= 200, và c = d = 0.1 Mô hình nguyên tử ba mức lambda dưới sự tương tác của hai trường laser (a). Sơ đồ vector phân cực và trường laser tương ứng được thiết lập sao cho mỗi laser chỉ ảnh hưởng đến một dịch chuyển (b).2 Tiến triển theo không gian - thời gian của cường độ xung dò khi trường điều khiển bật (a) và tắt (b).3 Tiến triển của xung dò tại (a) = 0; (b) = 0. Các tham số khác được sử dụng là Ωp0 = 0. Tiến triển của xung đầu dò tại (a) ϕ = 0; (b)ϕ = π/2; (c); ϕ = π; (d) ϕ = 3π/2.

Các tham số khác được đưa ra là Ωp0 = 0.