Luận án tiến sĩ vật lý điều khiển lan truyền xung và chuyển mạch quang trong môi trường nguyên tử hai mức suy biến

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học GS TS Nguyễn Huy Bằng Các kết luận án trung thực công bố các tạp chí chuyên nghiên cứu ở nước quốc tế Tác giả luận án Lương Thị Yến Nga i LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn khoa học GS.TS Nguyễn Huy Bằng Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến thầy giáo hướng dẫn - người giúp đỡ, hướng dẫn tận tình động viên suốt trình nghiên cứu Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô giáo, nhà khoa học, bạn đồng nghiệp nghiên cứu sinh ngành Vật lý - Viện Sư phạm tự nhiên - Trường Đại học Vinh về những ý kiến đóng góp khoa học bổ ích tạo điều kiện tốt nhất thời gian học tập nghiên cứu khoa học tại trường; xin chân thành cảm ơn TS Hoàng Minh Đồng hỗ trợ có nhiều ý kiến đóng góp giúp tơi hồn thiện nội dung luận án Tơi cũng xin cảm ơn Ban giám đốc Trung tâm Thực hành thí nghiệm - Trường Đại học Vinh giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi nhất cho việc học tập nghiên cứu những năm qua Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ để tơi hồn thành luận án Xin trân trọng cảm ơn ! Tác giả luận án ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN Từ viết tắt EIT Nghĩa Electromagnetically Induced Transparency: Sự suốt cảm ứng điện từ EIA Electromagnetically Induced Absorption: Sự hấp thụ cảm ứng điện từ CPT Coherence Population Trapping: Bẫy độ cư trú kết hợp LWI Lasing Without Inversion: Phát laser không có đảo lộn độ cư trú SPM Self-phase Modulation: Tự biến điệu pha NLT Nonlinear Term: Số hạng phi tuyến MSE Maxwell Schrödinger Equation: Phương trình Schrödinger Maxwell Re Real Part: Phần thực Im Imaginary Part: Phần ảo AOS All Optical Switching: Chuyển mạch toàn quang RWA Rotating Wave Approximation: Gần sóng quay SVEA Slowly Varying Envelope Approximation: Gần hàm bao biến thiên chậm CW Continous Wave: Sóng liên tục iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Giá trị Nghĩa c 2.998  108 m/s dnm C.m Ec V/m Cường độ điện trường chùm laser điều khiển Ep V/m Cường độ điện trường chùm laser dò En J F không thứ nguyên H J Hamtiltonian toàn phần H0 J Hamiltonian nguyên tử tự HI J kB 1.38  10-23 J/K Hằng số Boltzmann mRb 1.44  10-25 kg Khối lượng nguyên tử Rb n không thứ nguyên N nguyên tử/m3 P C/m2 T K 0 1.26  10-6 H/m Hằng số từ 0 8.85  10-12 F/m Hằng số điện  F/m Độ điện thẩm môi trường nm Hz Tần số góc dịch chuyển nguyên tử c Hz Tần số góc chùm laser điều khiển p Hz Tần số góc chùm laser dò  Hz Tốc độ phân rã tự phát độ cư trú nguyên tử  Hz Tốc độ suy giảm tự phát độ kết hợp Vận tốc ánh sáng chân không Mômen lưỡng cực điện dịch chuyển n m Năng lượng riêng trạng thái n Số lượng tử xung lượng góc toàn phần Hamiltonian tương tác giữa hệ nguyên tử trường ánh sáng Chiết suất môi trường Mật độ nguyên tử Độ lớn vectơ phân cực điện (vĩ mô) Nhiệt độ tuyệt đối iv vc Hz  Không thứ nguyên  Hz Tần số Rabi  Hz Tần số Rabi suy rộng c Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiển p Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser dò c Hz p Hz  Hz - Khơng thứ ngun Phân cực trịn trái + Khơng thứ ngun Phân cực trịn phải µm J/T B 9.27 x 10-24 J/T Manhêtôn Bohr ℏ 1.05 x 10-34 J.s Hằng số Plank rút gọn Tốc độ suy giảm độ kết hợp va chạm Ma trận mật độ Độ lệch giữa tần số laser điều khiển với tần số dịch chuyển nguyên tử Độ lệch giữa tần số laser dò với tần số dịch chuyển nguyên tử Khoảng cách giữa các mức lượng Mômen từ nguyên tử v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỜ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ chuyển mạch khơng gian (tồn quang): chùm chuyển mạch tác động vào mơi trường phi tuyến làm thay đởi hướng chùm tín hiệu khỏi môi trường Hình 1.2 Sơ đồ chuyển mạch quang theo thời gian [80] .10 Hình 1.3 (a) Hai trạng thái chuyển mạch: (A) Trạng thái tắt; (B) Trạng thái bật (b) Thành phần quang học dịch chuyển ngang: (B) thiết lập đối xứng hoàn hảo, (C) phá vỡ đối xứng yếu công suất bơm cao, (D) phá vỡ đối xứng yếu bơm thấp [80] .11 Hình 1.4 Chuyển mạch toàn quang mức ánh sáng yếu [80] 12 Hình 1.5 Trạng thái động học chuyển mạch tồn quang mức thấp [80] .13 Hình 1.6 Sơ đồ hệ nguyên tử hai mức kích thích bởi trường laser tần số  14 Hình 1.7 Sơ đồ nguyên tử ba mức lượng cấu hình Lambda .22 Hình 1.8 Nguyên tử ba mức kích thích bởi hai chùm laser theo cấu hình lambda: (a) mô tả trạng thái nguyên tử trần (b) mô tả trạng thái nguyên tử mặc [10] 26 Hình 1.9 Hai nhánh kích thích từ trạng thái tới trạng thái kích thích , hình (a): kích thích trực tiếp → hình (b): kích thích gián tiếp → → → [10] 27 Hình 1.10 (a) Đồ thị hệ số hấp thụ (b) Đồ thị hệ số tán sắc: đường liền nét ứng với có trường laser điều khiển còn đường đứt nét ứng với không có trường laser điều khiển [15] .27 Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc mức lượng laser liên kết hệ nguyên tử 87 Rb loại cấu hình lambda ba mức biểu diễn vạch D2 lấy từ cơng trình Steck năm 2003 [81, 82, 85, 86] 35 Hình 2.1 Mơ hình chuyển mạch quang tạo bởi mơi trường ngun tử hai mức suy biến đặt từ trường ngồi B, laser dị Ep laser điều khiển Ec (a) Giản đồ lượng nguyên tử chưa có từ trường ngồi (b) có từ trường (c) 40 vi Hình 2.2 Phở hấp thụ trường dò theo độ lệch tần chùm laser dò Δp từ trường a) B = (đường liền nét màu xanh) có mặt từ trường (đường đứt nét màu đỏ): b) B = 2c c) B = -2c Các tham số khác hệ chọn Ωp = 0.0121, Ωc = 321, c = γ23 = γ21, tương ứng 43 Hình 2.3 Sự tiến triển theo thời gian xung dò lan truyền (đường liền nét) từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α với chu kỳ chuyển mạch khác nhau: (a) 50/γ21; (b) 25/γ21; (c) 10/γ21; (d) 5/γ21 Các tham số khác cho: f(ξ= 0,τ) = 1, Ωp = 0,01γ21, Ωc = 3γ21, Δp = Δc = 0, B0 = 2γc (hoặc ΔB = 2γ21), γ23 = γ21, thời gian khoảng cách lan truyền tính theo đơn vị γ21-1 α−1, tương ứng 46 Hình 2.4 Sự tiến triển theo thời gian lan truyền xung dò (đường liền nét) từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) (b) tại độ sâu quang học ξ = 50/α cho cường độ trường liên kết khác nhau: (a) Ωc = 1γ21; (b) Ωc = 2γ21; (c) Ωc = 5γ21; (d) Sự thay đổi hấp thụ chùm dò so với cường độ trường liên kết Các tham số khác đưa giống Hình 2.3 (a) .48 Hình 2.5 Sự tiến triển theo thời gian tín hiệu xung dò lan truyền (đường liền nét) từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α các độ lệch tần chùm dò khác nhau: (a) Δp = 1γ21; (b) Δp = 2γ21; (c) Δp = 3γ21và (d) Δp = 4γ21 Các tham số khác đưa giống Hình 2.3 (a) .49 Hình 2.6 Sự tiến triển theo thời gian xung dò lan truyền (đường liền nét) từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) với độ sâu quang học ξ = 50/α tại các độ lệch tần chùm điều khiển khác nhau: (a) Δc = 1γ21; (b) Δc = 2γ21; (c) Δc = 3γ21 (d) Δc = 4γ21 Các tham số khác đưa giống Hình 2.3 (a) .50 Hình 2.7 Sự biến thiên hệ số hấp thụ trường dò hàm cường độ từ trường độ lệch trường dò Các tham số hệ thống khác chọn lần lượt Ωp = 0,01γ21, Ω= = 3γ21, Δc = γ23 = γ21 52 Hình 2.8 Sự tiến triển theo thời gian trường dò (đường liền nét) trường điều khiển chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α với chu kỳ chuyển mạch khác nhau: (a) 50/γ21; (b) 25/γ21; (c) 10/ γ21; (d) 5/γ21 Các tham số khác chọn f(ξ= 0, τ) = 1, Ωp = 0.01γ21, Ωc0= 3γ21, Δp = Δc = 0, ΔB = (hoặc B = 0), γ23 = γ21 53 vii Hình 2.9 Sự tiến triển theo thời gian trường dò (đường liền nét) trường điều khiển chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α với giá trị khác từ trường: (a) B = 1γc; (b) B = 3γc Các tham số khác chọn Hình 2.8(a) .54 Hình 2.10 Sự tiến triển theo thời gian trường dò lan truyền (đường liền nét) từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) (b) ở độ sâu quang học ξ = 50/α các độ lệch tần laser dò khác nhau: (a) p = 121; (b) p = 221; (c) p = 321 (d) p = 421 Các tham số khác chọn Hình 2.8 (a) 55 Hình 2.11 Sự tiến tiển theo thời gian trường dò lan truyền (đường liền nét) từ trường chuyển mạch (đường đứt nét) (b) ở độ sâu quang học ξ = 50/α độ lệch tần laser điều khiển khác nhau: (a) c = 121; (b) c = 221; (c) c = 321, (d) c = 421 Các tham số khác chọn Hình 2.11 (a) 57 Hình 3.1 Cường độ xung dò tại độ sâu quang học ξ = 30/α tại giá trị khác từ trường B Các tham số khác chọn: Ωp0 = 0,01γ21, Ωc = 3γ21, Δp = Δc = 0, γ23 = γ21, thời gian khoảng cách lan truyền tính theo đơn vị 21-1 α-1, tương ứng .61 Hình 3.2 Cường độ xung dị ở độ sâu quang học ξ = 30/α tại giá trị khác trường điều khiển Ωc Các tham số khác chọn: Ωp0 = 0,01γ21, B = 2γc, Δp = Δc = 0, γ23 = γ21, thời gian khoảng cách lan truyền tính theo đơn vị 21-1 α-1, tương ứng 62 Hình 3.3 Cường độ xung ở độ sâu quang học ξ = 30/α tại giá trị khác độ lệch tần chùm laser dò p với Δc = (a) tại giá trị khác độ lệch tần chùm laser điều khiển Δc với Δp = (b) Các tham số khác chọn: Ωp0 = 0.01γ21, Ωc = 3γ21, B = 2γc γ23= γ21, tương ứng .64 Hình 3.4 Sự tiến triển theo khơng thời gian cường độ xung laser dò bật tắt từ trường: B = (a) B = 2c (b) Các tham số khác chọn: Ω0p = 0.0121, Ωc = 321, p = c = γ23 = γ21, tương ứng 66 Hình 3.5 Mơ hình ngun tử hai mức suy biến tác dụng trường laser điều khiển laser dị: (a) chưa có từ trường ngồi (b) có từ trường ngồi .67 Hình 3.6 (a) hệ số hấp thụ α; (b) tỷ số phần thực phần ảo hệ số β2i/β2r (đường cong nét liền) W2i/W2r (đường cong nét đứt) so với tần số Rabi không thứ viii nguyên Ωc/γ Các tham số khác chọn: κ12= x 109 cm-1s-1, Δ= x 108s-1, γ = x 106 s-1 ΔB = - 0.33γ hoặc B = - 0.33γc Trường hợp tương ứng với soliton sáng (β2r.Wr > 0) 73 Hình 3.7 (a) Hệ số hấp thụ α; (b) các tỷ lệ phần thực phần ảo hệ số tán sắc β2i/β2r (đường cong liền nét) hệ số phi tuyến W2i / W2r (đường cong đứt nét) so với tần số Rabi không thứ nguyên Ωc/γ Các tham số giống Hình 3.6 ngoại trừ ΔB = 0.33γ hoặc B = 0.33 γc Trường hợp tương ứng với soliton tối (β2r.Wr