Xây dựng hệ nghiên cứu tính chất quang của nguyên tử rubi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -🙢 - NGUYỄN VĂN ÁI XÂY DỰNG HỆ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA NGUYÊN TỬ RUBI LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 6/2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -🙢 - NGUYỄN VĂN ÁI XÂY DỰNG HỆ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA NGUYÊN TỬ RUBI Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9440110 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Huy Bằng NGHỆ AN, 4/2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn khoa học GS.TS Nguyễn Huy Bằng Các kết luận án trung thực công bố tạp chí khoa học nước quốc tế Tác giả luận án Nguyễn Văn Ái ii LỜI CẢM ƠN Xin cảm ơn GS.TS Nguyễn Huy Bằng trực tiếp hướng dẫn tơi hồn thành luận án, tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi nâng cao kiến thức, phương pháp nghiên cứu khoa học Bằng tất chuẩn mực người thầy, đồng thời nhà khoa học mẫu mực, thầy tạo nhiều động lực cho tâm vượt qua khó khăn q trình làm nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy giáo GS.TS Đinh Xuân Khoa, PGS TS Phạm Văn Hội, PGS.TS Nguyễn Văn Phú, PGS TS Lưu Tiến Hưng, PSG TS Chu Văn Lanh, TS Lê Văn Đoài, TS Lê Cảnh Trung, TS Phan Văn Thuận, TS Hoàng Minh Đồng TS Đỗ Mai Trang ln hỗ trợ, động viên mặt trình làm nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn tập thể quý thầy cô giáo Trường Đại học Vinh ý kiến đóng góp bổ ích, tạo điều kiện tốt cho tơi thuận lợi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường THPT Kỳ Lâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập nghiên cứu năm qua Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, động viên giúp đỡ để tơi hồn thành luận án Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN .vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN .vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu Chương I CÁC NGUYÊN LÝ ĐO PHỔ PHÂN GIẢI CAO .7 1.1 Nguyên lý đo phổ hấp thụ bão hòa tán sắc bão hòa .7 1.2 Nguyên lý đo phổ bơm chọn lọc vận tốc 13 1.3 Nguyên lý đo phổ suốt cảm ứng điện từ 16 1.4 Hiệu ứng Macaluso-Corbino .19 1.5 Một số ứng dụng môi trường EIT 25 1.5.1 Làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng .25 1.5.2 Phi tuyến Kerr khổng lồ 26 1.5.3 Lưỡng ổn định quang 27 1.6 Nguyên tử Rubi (Rubidium) 28 Kết luận chương I 32 Chương II XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ 33 2.1 Một số hệ thí nghiệm đo phổ nguyên tử 33 2.1.1 Hệ thí nghiệm hấp thụ bão hồ hãng Thorlabs 33 2.1.2 Hệ thí nghiệm hãng Teachspin .35 2.1.3 Hệ thí nghiệm EIT cấu hình chữ V bơm-dị chiều 37 iv 2.1.4 Hệ thí nghiệm đo chiết suất nhóm ánh sáng 40 2.1.5 Thí nghiệm EIT trường Đại học Vinh 43 2.2 Xây dựng hệ thí nghiệm phổ phân giải cao đa .46 2.2.1 Nguyên lý chung 46 2.2.2 Bộ phận quang học .48 2.2.3 Bộ phận điều khiển .60 2.2.4 Bộ phận hiển thị 64 2.3 Sơ đồ nguyên lý phép đo phổ hệ thí nghiệm .65 2.3.1 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ phổ tán sắc .65 2.3.2 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hòa tán sắc bão hòa 67 2.3.3 Sơ đồ quang học quan sát EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều 69 2.3.4 Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị chiều 72 2.3.5 Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT hai chùm bơm ngược chiều .73 2.3.6 Sơ đồ quang học quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino 74 Kết luận chương II 76 Chương III NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA KHÍ NGUYÊN TỬ 78 3.1 Khảo sát phổ hấp thụ tán sắc .78 3.1.1 Quy trình đo phổ 78 3.1.2 Phổ hấp thụ tán sắc 79 3.2 Khảo sát phổ hấp thụ bão hoà tán sắc bão hoà 82 3.2.1 Quy trình đo phổ 82 3.2.2 Phổ hấp thụ bão hoà tán sắc bão hoà 83 3.3 Khảo sát phổ EIT tán sắc EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều 85 3.3.1 Quy trình đo phổ EIT tán sắc EIT 85 3.3.2 Phổ EIT tán sắc EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều 87 3.4 Khảo sát phổ EIT tán sắc EIT cấu hình bơm-dị chiều 91 3.4.1 Quy trình đo phổ 91 3.4.2 Phổ EIT tán sắc EIT cấu hình bơm-dị chiều 93 3.5 Phổ bơm chọn lọc vận tốc 94 v 3.5.1 Quy trình đo phổ 94 3.5.2 Đo phổ bơm chọn lọc vận tốc 95 3.6 Quan sát phổ EIT cấu hình hai chùm bơm ngược chiều 97 3.6.1 Quy trình đo phổ 97 3.6.2 Phổ EIT hai chùm bơm chiều ngược chiều với chùm dò 98 3.7 Quan sát phổ EIA cấu hình bơm-dị ngược chiều 106 3.7.1 Quy trình đo phổ 106 3.7.2 Phổ EIA cấu hình bơm-dị ngược chiều 107 3.8 Quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino 111 3.8.1 Quy trình đo phổ 111 3.8.2 Hiệu ứng Macaluso-Corbino (MC) 112 3.9 Khảo sát chuyển mạch quang 114 3.9.1 Mô hình lý thuyết .114 3.9.2 Mơ hình thực nghiệm 120 3.10 Khảo sát chiết suất âm 122 3.10.1 Mơ hình lý thuyết .122 3.10.2 Mơ hình thực nghiệm .128 3.11 Nghiên cứu mở rộng tính hệ thí nghiệm tích hợp .129 3.11.1 Xác định vận tốc nhóm ánh sáng 129 3.11.2 Xác định phi tuyến Kerr 131 3.11.3 Các thiết bị linh kiện cần bổ sung 132 Kết luận chương III 134 KẾT LUẬN CHUNG 136 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 138 C Báo cáo khoa học 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤC LỤC A 149 PHỤC LỤC B 154 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN Giải thích nghĩa EIT Electromagnetically Induced Transparency – Sự suốt cảm ứng điện từ EIA Electromagnetically Induced Absorption – Sự hấp thụ cảm ứng điện từ CPT Coherence Population Trapping – Sự bẫy độ cư trú kết hợp LWI Lasing Without Inversion – Sự phát laser không nghịch đảo độ cư trú SAS Saturated Absorption spectroscopy – Phổ hấp thụ bão hòa TOP Transfer of Population – Sự di chuyển độ cư trú LHM Left-handed material – Vật liệu chiết suất âm PD Photodetector – cảm biến quang chuyển đổi photon ảnh sáng xạ điện từ thành tính hiệu điện EOM Electro-optic modulator – Bộ biến điệu điện-quang AOM Acousto-optic modulator – Bộ biến điệu âm-quang vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Snm không thứ nguyên c 2.998  108 m/s Nghĩa Cường độ liên kết tỷ đối dịch chuyển nguyên tử Vận tốc ánh sáng chân không Mômen lưỡng cực điện dịch chuyển dnm C.m E V/m Cường độ điện trường chùm ánh sáng Ec V/m Cường độ điện trường chùm laser điều khiển Ep V/m Cường độ điện trường chùm laser dò En J F khơng thứ ngun Số lượng tử mơmen góc tồn phần H J Hamtilton toàn phần H0 J Hamilton nguyên tử tự HI J Hamilton tương tác nguyên tử trường ánh sáng I W/m2 Cường độ chùm sáng kB 1.38  10-23 J/K Hằng số Boltzmann mRb 1.44  10-25 kg Khối lượng nguyên tử Rubidium n  m Năng lượng riêng trạng thái n viii N không thứ nguyên Chiết suất môi trường N nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử T K Nhiệt độ tuyệt đối  m-1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 0 1.26  10-6 H/m Độ từ thẩm chân không 0 8.85  10-12 F/m Độ điện thẩm chân không  không thứ nguyên Hằng số điện môi tỷ đối vật liệu nm Hz Tần số góc dịch chuyển nguyên tử c Hz Tần số góc chùm điều khiển p Hz Tần số góc chùm dò  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 va chạm  không thứ nguyên Độ cảm điện môi trường nguyên tử Re() không thứ nguyên không thứ nguyên  Phần thực độ cảm điện Im() Phần ảo độ cảm điện Mật độ cư trú hệ nguyên tử c Hz Tần số Rabi trường điều khiển p Hz Tần số Rabi trường dò c Hz Độ lệch tần tần số chùm liên kết với với