Khảo sát tính chất vật lý trong dịch chuyển nguyên tử dưới sự kích thích kết hợp của các chùm tia laser

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH  HUỲNH THANH TRÚC KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ TRONG DỊCH CHUYỂN NGUYÊN TỬ DƯỚI SỰ KÍCH THÍCH KẾT HỢP CỦA CÁC CHÙM TIA LASER CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC MÃ SỐ: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Ngọc Sáu VINH, 2013 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS TS Vũ Ngọc Sáu Thầy định hướng tận tình hướng dẫn, hổ trợ em tiếp cận giải vấn đề khoa học Chính nhờ giúp đỡ tận tình thầy em hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học, khoa vật lý, thầy giáo, cô giáo giúp đỡ, giảng dạy trình học tập thực luận văn Tác giả xin cám ơn thầy cô hội đồng phản biện, TS Đoàn Hoài Sơn PGS TS Hồ Quang Quý, người đọc qua luận văn cho em ý kiến quý báu nội dung hình thức để luận văn hoàn thiện Tác giả cảm ơn bạn học lớp Quang học K19 có thảo luận, đóng góp giúp tác giả hoàn thành luận văn Vinh, tháng 06 năm 2013 Tác giả MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương TƯƠNG TÁC GIỮA HỆ NGUYÊN TỬ VỚI XUNG ÁNH SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KẾT HỢP 1.1 Môi trường quang học kết hợp 1.1.1 Khái niệm môi trường quang học kết hợp 1.1.2 Các hiệu ứng môi trường quang học kết hợp 1.2 Phương trình Liouville kể đến trình phân rã 12 1.3 Phương trình ma trận mật độ cho hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda 14 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24 Chương 25 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ KHI CÓ DỊCH CHUYỂN NGUYÊN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KẾT HỢP 25 2.1 Khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tử ba mức cấu hình Lambda 25 2.1.1 Mối liên hệ độ cảm điện phần tử ma trận mật độ 25 2.1.2 Hệ số hấp thụ hệ số tán sắc 26 2.1.3 Hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ 27 2.2 Khảo sát tính chất hiệu ứng EIT cấu hình Lambda ba mức bẫy quang từ 32 2.2.1 Hoạt động bẫy quang từ 32 2.2.2 Khảo sát tính chất EIT cấu hình Lambda ba mức bẫy quang từ (MOT) 34 KẾT LUẬN CHƯƠNG 36 KẾT LUẬN CHUNG 38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 39 MỞ ĐẦU Như biết, từ năm 90 kỷ XX, laser đời với tính chất có độ đơn sắc cao, cường độ lớn, độ kết hợp cao thời gian xảy nhanh [1], người có nhìn ánh sáng Khi cho chùm tia laser tác dụng lên vi chất, người thu nhiều tính chất cấu trúc nguyên tử, phân tử tính chất hệ cấu trúc vi hạt Hệ số hấp thụ hệ số tán sắc thông số đặc trưng cho tính chất quang môi trường Khi cho chùm tia laser tác dụng cách thích hợp, hệ số thay đổi làm thay đổi đáng kể thuộc tính quang học nguyên tử hay phân tử Tiêu biểu cho điều tạo hiệu ứng suốt cảm ứng điện (EIT – Electromagnetically Induced Transparency) Hiệu ứng EIT kết giao thoa lượng tử xác suất dịch chuyển bên hệ nguyên tử kích thích kết hợp chùm laser Hệ giao thoa lượng tử làm cho môi trường trở nên suốt chùm sáng (gọi “chùm laser dò”) điều khiển chùm sáng khác (gọi “chùm laser điều khiển”) Cơ sở lý thuyết tượng Kocharovskaya Khanin đưa vào năm 1988, nhóm Harris đề xuất vào năm 1989[5] kiểm chứng thực nghiệm vào năm 1991 Hiện nay, nghiên cứu hiệu ứng EIT thực cách rộng rãi, có nhiều nhóm nghiên cứu điều khiển EIT cách rõ nét môi trường nguyên tử lạnh (được làm lạnh đến cỡ nK) Một thiết bị làm lạnh nguyên tử bẫy quang từ (MOT -magnetooptical trap) Trong bẫy quang từ, trình làm lạnh nguyên tử chủ yếu nhờ vào quang lực tác động lên nguyên tử chùm laser kết hợp Trong luận văn này, khảo sát tính chất vật lý tượng suốt cảm ứng điện từ bẫy quang từ Do đó, chọn đề tài: “Khảo sát tính chất vật lý dịch chuyển nguyên tử kích thích kết hợp chùm tia laser” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ vật lý Mục tiêu luận văn nghiên cứu, tìm hiểu tính chất vật lý khảo sát giao thoa lượng tử xác suất dịch chuyển nguyên tử môi trường quang học kết hợp có hiệu ứng gây nhiễu bẫy quang từ Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, luận văn trình bày hai chương: Chương 1: Trình bày sở lý thuyết tương tác hệ nguyên tử với xung ánh sáng môi trường quang học kết hợp Chương 2: Khảo sát tính chất vật lý có xác suất dịch chuyển nguyên tử môi trường quang học kết hợp có hiệu ứng gây nhiễu bẫy quang từ Chương TƯƠNG TÁC GIỮA HỆ NGUYÊN TỬ VỚI XUNG ÁNH SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KẾT HỢP 1.1 Môi trường quang học kết hợp 1.1.1 Khái niệm môi trường quang học kết hợp Sự tương tác kết hợp chùm ánh sáng laser trạng thái lượng tử nguyên tử phân tử dẫn đến giao thoa lượng tử biên độ xác suất kênh dịch chuyển Bằng cách này, tính chất quang học môi trường thay đổi đáng kể, dẫn đến tượng suốt cảm ứng điện từ Do có mặt trạng thái kích thích kết hợp nên hình ảnh quang phổ ion hóa nguyên tử nhiều điện tử thể cấu trúc cộng hưởng Sự cộng hưởng mở rộng phân rã nhanh gây tương tác electron kích thích trạng thái kết hợp làm suy biến liên tục trạng thái với thời gian sống khoảng pico giây đến pico giây Từ phân rã tự nhiên dẫn đến phân rã liên tục, trạng thái gọi trạng thái tự ion hóa Fano nêu trường hợp giao thoa kênh kích thích dẫn đến phân rã liên tục hình 1.1 [6] Hình 1.1: Sự giao thoa kênh kích thích có phân rã liên tục: (a) cho thấy tự ion hóa cộng hưởng trạng thái,(b) cho thấy tự ion hóa có kết hợp hai trạng thái đưa Fano Trong trường hợp giao thoa hai trường liên kết có cường độ khác nhau, trường thứ hai có cường độ mạnh trường thứ nhiều có giao thoa cảm ứng trường điều khiển thứ hai chiếm ưu thế, điều dẫn đến hấp thụ nguyên tử trường thứ không, tượng gọi tượng suốt cảm ứng điện từ Cấu hình để nghiên cứu hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ dựa hệ ba mức lượng kích thích kết hợp chùm laser có cường độ mạnh chùm laser có cường độ yếu Tùy theo xếp kênh dịch chuyển trạng thái nguyên tử người ta chia thành ba loại cấu hình kích thích bản: hình thang, chữ V lambda Vào năm 1991, hiệu ứng kiểm chứng thực nghiệm nhóm nghiên cứu Stanford, Boller có cách quan sát hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ Cách đầu tiên, sử dụng hình ảnh thu từ thí nghiệm Imamoglu Harris (1989) Trong đó, trường dò điều chỉnh với tần số cộng hưởng không, sau đó, với góp phần độ cảm tuyến tính dẫn đến cộng hưởng kép, đó, thông số độ lệch tần cân dẫn đến việc hủy độ cảm tần số cộng hưởng giao thoa Fano kênh phân rã Cách thứ hai , EIT xem phát sinh thông qua xác suất dịch chuyển khác trạng thái nguyên tử 1.1.2.Các hiệu ứng môi trường quang học kết hợp Có cấu hình kích thích hệ nguyên tử mức: hình thang, chữ V lambda Trong phương án thực nghiệm quan tâm đến cấu hình lambda, cấu hình bậc thang chữ V bị giới hạn với mục đích ứng dụng Hình 1.2: Sơ đồ cấu hình ba mức bậc thang chữ V Trong trường hợp cộng hưởng kép hai trạng thái riêng Hamilton toàn phần chồng chất kết hợp đối xứng bất đối xứng hai trạng thái  Cơ sở vật lý dẫn đến triệt tiêu biên độ xác suất dịch chuyển kênh dẫn đến mật độ cư trú hệ trạng thái giữ nguyên gọi trạng thái tối Khi trạng thái nguyên tử bị “bẫy” lại tác dụng đồng thời nhiều trường quang học gọi bẫy độ cư trú (CPT – coherent population trapping) Trong giới hạn luận văn xem xét trạng thái riêng tối môi trường hệ nguyên tử mức cấu hình lambda đây: Hình 1.3: Sơ đồ cấu hình lambda Trong sơ đồ cấu hình lambda ba mức với trường dò có tần số  p trường điều khiển có tần số c Đặt    31   p   32  c độ lệch tần chùm laser dò chùm laser điều khiển Trạng thái riêng ghi nhận lại trạng thái nguyên tử thuần: a   sin  sin   cos   cos sin  , a  cos   sin  , a   sin  cos   sin   cos cos  Trạng thái a mức lượng 0, Trạng thái a  a  dịch chuyển lên xuống mức   Với:        2   2p   2c  Trạng thái a  chứa tất thành phần trạng thái nguyên tử thuần, trạng thái tương phản a thành phần trạng thái trạng thái a trạng thái tối, nguyên tử hình thành trạng thái khả kích thích lên trạng thái sau phát xạ tự phát Sự tiến triển trạng thái tối bơm quang học (thông qua phân rã tự phát từ trạng thái 3) cách để bẫy độ cư trú trạng thái 1.2 Phương trình Bloch quang học phương trình Liouville: 1.2.1 Phương trình Bloch quang học: Khảo sát hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda mô tả hình: 5P3/2 F’=2 5S1/2 F=2 5S1/2 F=1 Hình 1.4 : Sơ đồ ba mức lượng cấu hình lambda nguyên tử Rb87 10 Trong đó, trường laser mạnh điều hưởng dịch chuyển mức  chùm laser dò yếu điều hưởng dịch chuyển  Haminton toàn phần hệ nguyên tử ba mức xác định bằng: ^ ^ H ^ (1.1) H H I ^ H Haminton nguyên tử tự xác định theo công thức: ^ H    i i i i 1 Gọi    31   p    32   c tương ứng độ lệch tần chùm dò chùm điều khiển so với tần số dịch chuyển mức Khi đó: ^ H  (    ) 2   3 Và dạng ma trận là: ^ H    0  0 0  0        2(    ) (1.2) Trong gần lưỡng cực điện[2]: ^ ^ H I xác định: H I ~    E Các tương tác có dạng : Vc    Ec cos(c t ) (1.3) V p    E p cos(  p t ) (1.4) Với c  p tần số trường bơm trường dò Trong gần sóng quay[2]: ^ H I Haminton tương tác hệ nguyên tử ba mức hai trường laser Đối với dịch chuyển trạng thái i j mô men lưỡng cực cho bởi:    mn ( j i  i j ) 25 Chương KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ KHI CÓ DỊCH CHUYỂN NGUYÊN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KẾT HỢP 2.1 Khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda 2.1.1 Mối liên hệ độ cảm điện phần tử ma trận mật độ Để mô tả hệ theo đại lượng đo thực tế ta cần liên hệ phần tử ma trận mật độ với đại lượng vật lý đo Khi nguyên tử tương tác với trường ánh sáng tác dụng lực điện trường ngoài, nguyên tử bị phân cực  Sự phân cực toàn phần P môi trường có N nguyên tử thể tích  V có mômen lưỡng cực  liên kết hai mức m  n , cho bởi:  (2.1) P (t )  N  / V  Mà:  (2.2)   mn (  nm   mn ) Xét phân cực toàn phần trường laser dò hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda hình 1.4: Pp ( t )  N [ 13  31 e  i 31 t  13  13 e i 31 t ] V (2.3) Trong điện động lực học cổ điển, phân cực môi trường tỉ lệ với cường độ điện trường E thông qua hệ thức : P   E   E ( e i t   *ei t ) (2.4) 31 31 Cân phương trình (2.3) (2.4) : N [ 13  31 e i31t  13  13 e i31t ]   E ( e i31t   * e i31t ) V (2.5) Cân hệ số e i t ta độ cảm môi trường chùm dò: 31 26 ~ N 13  2 13 V   p (2.6) Từ phương trình (1.36’) (2.6) ta tính độ cảm điện:   N 13 {[4 21 ( 2 31  1 21 )  4 (41   2c )]  2i[ (81 21   31 )  2 21 ( 31 21   2c )]} V  0 (2 31  21 21 )  ( 41   21 31   2c ) Với  độ điện thẩm chân không Độ cảm điện đại lượng phức, tách thành phần thực phần ảo:    ' i  " Trong đó, phần thực ' liên quan đến tán sắc (chiết suất tuyến tính) môi trường phần ảo " liên quan đến hấp thụ môi trường chùm dò Độ cảm tuyến tính chứa đựng nhiều thuộc tính quan trọng EIT Phần thực: 2 ~ N 13 N 13 [4 21 (2 31  1 21 )  4 (41   2c )]  2 Re( 13 )   V   p V   ( 2 31  1 21 )  ( 1   21 31   2c ) ' (2.7a) Phần ảo: 2 ~ N 13 N 13 2[ (81 21   31 )   21 ( 31 21   2c )]  2 Im( 13 )  V   p V  0 ( 2 31  1 21 )  ( 1   21 31   2c ) " (2.7b) 2.1.2 Hệ số hấp thụ hệ số tán sắc: Từ phương trình (2.7b) ta xác định hệ số hấp thụ chùm dò cho biểu thức [8]: N 13 2[ (81 21   31 )   21 ( 31 21   2c )]   k   p Vc   ( 2 31  21 21 )  ( 41   21 31   2c ) " (2.8) 27 Trong k  N 2  p với c vận tốc ánh sáng chân không, mật  V p c độ nguyên tử làm lạnh thể tích V Từ phương trình (2.7a) ta xác định hệ số tán sắc (chiết suất) môi trường cho biểu thức[8] : k N 13 [ 2 21 ( 2 31  1 21 )  2 ( 41   2c )] n(P )   '   p Vc   (2 31  21 21 )  ( 41   21 31   2c ) (2.9) Chúng sử dụng biểu thức hệ số tán sắc hệ số hấp thụ để khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ 2.1.3 Khảo sát hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tử ba mức ~ Vì phần thực phần ảo yếu tố ma trận  13 tỉ lệ tương ứng với hệ số hấp thụ hệ số tán sắc chùm dò Dựa vào biểu thức hệ số hấp thụ hệ số tán sắc trên, nhận thấy hệ số hấp thụ tán sắc phụ thuộc vào độ lệch tần chùm dò cường độ, độ lệch tần chùm điều khiển, tham số  31  21 phụ thuộc vào hệ nguyên tử Vì vậy, điều khiển hấp thụ tán sắc theo cường độ độ lệch tần trường điều khiển Chúng ta dẫn hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tử mức cấu hình lambda Các tham số hệ nguyên tử 87Rb chọn:mật độ nguyên tử N = 1011 nguyên tử/cm3 nhiệt độ mẫu nguyên tử khoảng 100K [10],mômen lưỡng cực 87Rb dịch chuyển vạch D2 3,584.10-29 Cm, hệ số điện môi chân không 0 = 8,85.10-12 F/m, số Plank rút gọn ħ = 1,05.10-34 J.s, tốc độ phân rã dịch chuyển 5S1/2 F=2 5S1/2 F=1 28  21  0.03MHz dịch chuyển 5P1/2 F’=2 5S1/2 F=2  31  3MHz tần số chùm dò chọn là:p = 3,84.1014 Hz [11] Điều khiển hấp thụ tán sắc theo cường độ trường kích thích: Trong hình 2.1, đồ thị công tua hấp thụ chùm dò theo tần số Rabi c độ lệch tần chùm dò  độ lệch tần chùm điều khiển   , tương ứng với độ lệch tần        c  p  c  65  ( MHz )  ( MHz ) c  c  p 1 ( MHz ) 1 ( MHz ) Hình 2.1: Công tua hấp thụ chùm dò ứng với vài giá trị cường độ trường điều khiển c  0MHz , c  0.65MHz , c  MHz , c  MHz độ lệch tần chùm điều khiển   Hình 2.1 cho thấy phụ thuộc công tua hấp thụ vào trường điều khiển, mặt trường điều khiển c  0MHz , công tua hấp thụ đạt cực đại 29 tần số cộng hưởng  p  31 , có mặt trường điều khiển ( c  0) đỉnh cực đại hấp thụ bị trũng xuống, điều cho thấy độ hấp thụ giảm tạo thành cửa sổ suốt công tua hấp thụ Độ sâu độ rộng cửa sổ tăng tăng dần tần số Rabi  c Chọn độ lệch tần   tâm cửa sổ suốt nằm vị trí cộng hưởng (   ) Trong hình 2.2, đồ thị công tua tán sắc chùm dò theo tần số Rabi c độ lệch tần chùm dò  độ lệch tần chùm điều khiển   , tương ứng với độ lệch tần        c   c  0.65 n  ( MHz ) c   ( MHz ) c  n  ( MHz )  ( MHz ) Hình 2.2: Công tua tán sắc chùm dò ứng với vài giá trị cường độ trường điều khiển c  0MHz , c  0.65MHz , c  MHz , c  MHz độ lệch tần chùm điều khiển   30 Với hệ số tán sắc, mặt trường điều khiển đường tán sắc giảm theo tần số (tán sắc dị thường) xung quanh tần số cộng hưởng Tuy nhiên có mặt trường điều khiển tăng dần cường độ c tăng dần vị trí cộng hưởng đường cong tán sắc bị thay đổi tạo thành miền tán sắc thường tán sắc dị thường Độ rộng độ dốc miền điều khiển cách thay đổi tần số Rabi trường điều khiển Điều khiển hấp thụ tán sắc theo độ lệch tần: Để khảo sát ảnh hưởng độ lệch tần  trường điều khiển lên công tua hấp thụ công tua tán sắc, vẽ đồ thị ứng với giá trị khác  giá trị tần số Rabi cố định trường điều khiển c  MHz   2 2 0 p 1 ( MHz ) ( MHz)) 1(1MHz 2  p 1 ( MHz ) Hình 2.3: Công tua hấp thụ chùm dò thay đổi độ lệch tần  trường điều khiển   2 MHz ,   MHz ,   MHz 31 2  n   2 1 ( MHz ) 1 ( MHz ) 2  n 1 ( MHz ) Hình 2.4: Công tua tán sắc chùm dò thay đổi độ lệch tần  trường điều khiển   2 MHz ,   MHz ,   MHz Từ hình 2.3 ta thấy độ lệch tần   tâm cửa sổ suốt nằm tần số cộng hưởng dịch chuyển nguyên tử Khi   cửa sổ suốt đường hấp thụ bị dịch phía có tần số bé, ngược lại   cửa sổ suốt đường hấp thụ bị dịch theo chiều ngược lại Chiều dịch chuyển giống chiều dịch chuyển đường cong tán sắc hình 2.4 32 2.2 Khảo sát hiệu ứng EIT cấu hình Lambda ba mức bẫy quang từ (Magneto-Optical Trap viết tắt MOT): 2.2.1.Hoạt động bẫy quang từ: Bẫy quang từ xây dựng lần vào năm 60 kỷ XX phòng thí nghiệm Bell [4] Lực tạo nên bẫy quang học có tác dụng giảm tốc độ nguyên tử, lại không phụ thuộc vào vị trí nguyên tử Để làm lạnh đồng thời gom nguyên tử vào vị trí không gian xác định cần phải tìm lực tác động lên nguyên tử phụ thuộc vào vị trí Thiết bị thoả mãn yêu cầu chế tạo phòng thí nghiệm Bell vào năm 1987 Để có thiết bị này, cần đưa thêm vào từ trường có phân bố xác định chùm tia laser có phân cực xác định Một thiết bị gọi bẫy quang từ (Magneto-Optical Tap viết tắt MOT) Chúng ta xem xét mẫu MOT chiều, nghĩa trình làm lạnh bẫy xẩy trục z Từ trường bẫy tạo xòng xuyến Cường độ từ trường thay đổi tuyến tính theo trục Z Hướng chúng đối xứng qua tâm bẫy Chùm tia laser có phân cực tròn Một chùm phân cực theo chiều kim đồng hồ   chiều ngược chiều kim đồng hồ phương truyền lan (trục Z) Hình 2.5:MOT chiều   tương đối so với 33 Trong từ trường với gradient hình 2.6 khoảng cách mức Zeeman thay đổi tuyến tính theo trục Z Bây xem xét nguyên tử nằm bên trái gốc tọa độ (xem hình 2.5) Từ trường vùng có giá trị âm Chùm tia truyền lan theo hướng vào tâm bẫy có phân cực tròn   Khi điều kiện làm lạnh thỏa mãn, theo điều kiện tần số laser phải điều chỉnh vê phía hồng ngoại Điều cho ta thấy dịch chuyển hai mức F = F’=1 nói chung kích hoạt ánh sáng phân cực   Hiện tượng kích hoạt trao xung lượng theo chiều truyền lan ánh sáng phân cực ánh sáng phân cực     , tức theo hướng vào tâm bẫy Ngược lại, , vùng phải điều chỉnh để có cộng hưởng Và trao xung lượng ánh sáng làm cho nguyên tử chuyển động xa tâm bẫy Tuy nhiên, lực nhỏ Tương tự nguyên tử nằm phía bên phải hệ Trong vùng chùm tia phân cực chỉnh cộng hưởng nhiều so với chùm tia có phân cực     đễ điều Kết trao xung lượng có hướng trùng với hướng truyền lan ánh sáng phân cực   Như vậy, ta có hai lực tác động lên nguyên tử Hai lực không vị trí tâm bẫy, chúng có hướng vào tâm bẫy          Hình 2.6:Sơ đồ MOT ba chiều Hai elip lớn hai vòng xuyến tạo từ trường 34 Tất nhiên, bẫy quang học mà nghiên cứu hệ chiều Nguyên tử phải chiếu ba cặp chùm tia ngược chiều theo ba trục hệ toạ độ Đề Dọc theo trục có hai xòng xuyến có hai dòng điện chạy ngược chiều Nhờ hai vòng xuyến tạo từ trường đối xứng tứ cực 2.2.2 Khảo sát tính chất EIT cấu hình Lambda bẫy quang từ (MOT): Các chùm điều khiển chùm dò sử dụng để nghiên cứu EIT chùm sóng ngược thu từ laser diodes với tần số khoảng 1MHz Trong thí nghiệm kiểu lambda chùm bơm ngược bẫy xem chùm điều khiển, có công suất 1,9mW đường kính 1/e2 1,7mm Chùm dò chùm W có đồng mật độ với đường kính 1mm[9] Điều cho tỷ lệ độ lớn chùm điều khiển chùm dò độ khoảng 100:1 Cường độ chùm điều khiển lớn so với cường độ chùm dò Hai chùm điều khiển chùm dò phân cực trực giao với Tần số chùm dò quét liên tục 600MHz tần số chùm điều khiển thay đổi theo giá trị tần số cần khảo sát 35 Hình 2.7: Cho thấy truyền dẫn trường dò phụ thuộc tần số trường dò vạch D2 Rb87 với mật độ nguyên tử N=107 nguyên tử Các cửa sổ suốt cho thấy dấu hiệu EIT Trong hình a, có bẫy quang từ, đường biểu diễn trường điều khiển điều chỉnh cộng hưởng xác trình chuyển đổi từ 5S1/2 (F=1) đến 5P3/2 (F’=1), đường biểu diễn trường điều khiển điều chỉnh cộng hưởng xác trình chuyển đổi từ 5S1/2 (F=1) đến 5P3/2 (F’=2) Hình 2.8: Sơ đồ mức lượng bẫy nguyên tử Rb87 với hai trường bơm trường dò Khi chùm điều khiển nằm miền cộng hưởng với trình chuyển đổi từ 5S1/2 (F=1) đến 5P3/2 (F’=2 F’=1) Rb87 tần số chùm dò 36 quét từ 5S1/2 (F=2) đến 5P3/2 cấu trúc siêu tinh tế Mật độ trường dò truyền cho thấy hấp thụ lượng mở rộng dự đoán yếu có đỉnh hẹp EIT tâm giảm độ hấp thụ tương ứng với mức điều khiển Trên hình 2.7a kết thu từ mẫu thí nghiệm đặt bẫy quang từ Hình 2.7b cho thấy hiệu ứng gây nhiễu bẫy quang từ, thí nghiệm lặp lại mẫu khác sau bẫy quang từ từ trường tắt Khi nhìn thấy hình 2.7a có đỉnh nhỏ phía bên trái cộng hưởng F’=3 tạo tần số trường dò trùng với tần số trường bẫy độ lệch tần đỏ.[10] 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG  Chúng sử dụng phần thực phần ảo dịch chuyển nguyên ~ tử  13 cấu hình lambda để tính toán lý thuyết tìm phần thực phần ảo độ cảm , từ tính hệ số hấp thụ hệ số tán sắc môi trường  Chúng sử dụng hệ số để khảo sát tính chất quang học tượng suốt cảm ứng điện từ phương pháp đồ thị Từ cho thấy điều khiển hấp thụ tán sắc theo cường độ trường kích thích theo độ lệch tần  Chúng tìm hiểu lý thuyết hoạt động bẫy quang từ (MOT) , từ cho thấy ảnh hưởng bẫy quang từ lên hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ 38 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn, trình bày sở lý thuyết môi trường quang học kết hợp, từ chọn cấu hình lambda ba mức để khảo sát dịch chuyển nguyên tử Bằng phương pháp tính ma trận mật độ giái toán tương tác hai chùm laser kết hợp gần sóng quay gần lưỡng cực điện để tìm mức dịch chuyển nguyên tử Từ đề xuất mức khảo sát dịch chuyển 31 để khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ tính chất vật lý có liên quan Chúng tìm hiểu tính chất tượng suốt cảm ứng điện ~ từ có xác suất dịch chuyển nguyên tử  13 môi trường quang học kết hợp , từ khảo sát tính chất quang học nguyên tử có hiệu ứng gây nhiễu bẫy quang từ ~ Đây đề tài khảo sát xác suất dịch chuyển nguyên tử  13 môi trường quang học kết hợp khảo sát tìm hiểu tính chất EIT áp dụng cho nguyên tử Rubi bẫy quang từ Kết thu đề tài góp phần làm sáng tỏ lý thuyết phụ thuộc hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ có dịch chuyển nguyên tử môi trường quang học 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Đình Văn Hoàng, Vật lý laser ứng dụng [2] Lê Văn Đoài, ”Nghiên cứu làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ”, Luận văn thạc sĩ, ĐH Vinh 2010 [3] Nguyễn Tuấn Thư, “Ảnh hưởng độ mở rộng Doppler lên hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ hệ nguyên tử 87 Rb ba mức cấu hình bậc thang”, Luận văn thạc sĩ , ĐH Vinh 2012 [4] Lương Thành Duy, : “Ảnh hưởng cường độ chùm laser phân cực tròn lên lực làm lạnh bẫy quang - từ”, Luận văn thạc sĩ, ĐH Vinh 2012 [5] S.E.Harris, J.E Field, A Imamoglu, Phys Rev Lett 64,1107 (1990) [6]Fleischhauer, Imamoglu, and Marangos: Electromagnetically induced transparency, 636 (2005) [7] Fleischhauer, Imamoglu, and Marangos: Electromagnetically induced transparency, 639 (2005) [8] Abraham J Olson and Shannon K Mayer, “Electromagnetically induced transparency in rubidium”, Department of Physics, University of Portland, Oregon 97203 (2008) [9] S.A Hopkins , E Usadi, H X Chen, A V Durrant, “Electromagnetically induced transparency of laser – cooled rubidium atoms in three level lambda type systems”, Optics communications 138 (1997) 185- 192 [10] S.A Hopkins , E Usadi , H.X Chen , A.V Durrant, “Electromagnetically induced transparency of laser-cooledrubidium atoms in three-level A-type systems” (1997) [11]Daniel Adam Steck, Rubidium 87D Line Data, http://steck.us/alkalidata [12] A Sommerfield, Phys Z 8, 844 (1907) [...]... vấn đề :  Về môi trường quang học kết hợp đó là sự kích thích kết hợp các chùm ánh sáng laser trong trạng thái lượng tử của các nguyên tử và phân tử dẫn đến sự giao thoa lượng tử giữa xác suất dịch chuyển các mức năng lượng bên trong hệ nguyên tử Từ đó đưa ra một số hiệu ứng trong môi trường quang học kết hợp Và trong luận văn này chúng ta chọn khảo sát cấu hình lambda ba mức  Bằng phương trình Block... tử tương tác bằng các hình thức luận ma trận mật độ, từ đó ~ tìm ra phần thực và phần ảo của yếu tố  13 để khảo sát tính chất của hiệu ứng trong suốt điện từ 25 Chương 2 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ KHI CÓ DỊCH CHUYỂN NGUYÊN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KẾT HỢP 2.1 Khảo sát hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda 2.1.1 Mối liên hệ giữa độ cảm điện và các phần tử. .. mức kích thích 5 P1/2, F’=2 Laser dò kích thích dịch chuyển 1 -> 3 còn laser điều khiển kích thích dịch chuyển 2 -> 3 Các tần số Rabi có liên hệ với các cường độ trường laser theo hệ thức:  c  E E c ,  p  p với các tần số c và  p tương ứng   Các mức tinh tế và siêu tinh tế của nguyên tử Rb87 trong dịch chuyển vạch D2 được minh họa trong hình 1.5, sau đây [12]: 15 Hình 1.5 : cấu trúc các. .. tử ma trận mật độ Để mô tả hệ theo các đại lượng đo được trong thực tế ta cần liên hệ các phần tử ma trận mật độ với các đại lượng vật lý đo được Khi các nguyên tử tương tác với trường ánh sáng dưới tác dụng của lực điện trường ngoài, các nguyên tử bị phân cực  Sự phân cực toàn phần P của môi trường có N nguyên tử trong thể tích  V và có mômen lưỡng cực  liên kết hai mức m  và n , được cho bởi:... tần của chùm dò và cường độ, độ lệch tần của chùm điều khiển, còn các tham số  31 và  21 phụ thuộc vào hệ nguyên tử Vì vậy, chúng ta có thể điều khiển sự hấp thụ và tán sắc theo cường độ và độ lệch tần của trường điều khiển Chúng ta sẽ dẫn ra hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tử 3 mức cấu hình lambda Các tham số của hệ nguyên tử 87Rb được chọn:mật độ nguyên tử N = 1011 nguyên tử/ cm3... độ chùm dò Hai chùm điều khiển và chùm dò phân cực trực giao với nhau Tần số của chùm dò có thể quét liên tục trên 600MHz trong khi tần số chùm điều khiển thì thay đổi theo giá trị tần số cần khảo sát 35 Hình 2.7: Cho thấy sự truyền dẫn của trường dò phụ thuộc tần số trường dò trong vạch D2 của Rb87 với mật độ nguyên tử N=107 nguyên tử Các cửa sổ trong suốt cho thấy dấu hiệu của EIT Trong hình a, khi... tâm cửa sổ trong suốt nằm tại tần số cộng hưởng của dịch chuyển nguyên tử Khi  2  0 thì cửa sổ trong suốt trên đường hấp thụ bị dịch về phía có tần số bé, ngược lại khi  2  0 thì cửa sổ trong suốt trên đường hấp thụ bị dịch theo chiều ngược lại Chiều dịch chuyển này cũng giống như chiều dịch chuyển của đường cong tán sắc trên hình 2.4 32 2.2 Khảo sát hiệu ứng EIT cấu hình Lambda ba mức trong bẫy... một chiều Nguyên tử phải được chiếu ba cặp chùm tia ngược chiều theo ba trục của hệ toạ độ Đề các Dọc theo một trục sẽ có hai xòng xuyến trong đó có hai dòng điện chạy ngược chiều Nhờ hai vòng xuyến này có thể tạo ra được một từ trường đối xứng tứ cực 2.2.2 Khảo sát tính chất của EIT cấu hình Lambda trong bẫy quang từ (MOT): Các chùm điều khiển và chùm dò được sử dụng để nghiên cứu EIT là các chùm sóng... trình (1.1) ta tìm được Haminton toàn phần của hệ nguyên tử ba mức: ^ H  0     0 2 i 1t   p t e 0  2( 1   2 )  c t e i 2 t  p t e  i 1 t    c t e  i 2 t   2  1  (1.6) 1.2.2 Phương trình Liouville khi kể đến các quá trình phân rã: Theo cơ học lượng tử, trạng thái lượng tử của hệ nguyên tử dưới sự kích thích kết hợp của các trường laser có thể được mô tả thông qua ma trận... khiển và chùm   dò Các số hạng e i t và e  i t liên quan đến sự hấp thụ photon, còn số hạng 1 2 e i1t và e i2t liên quan đến sự phát xạ photon Vì vậy, trong sự hấp thụ (nguyên tử chuyển từ mức dưới lên mức trên) thì ta bỏ qua số hạng phát xạ ei t và 1 e i2t , còn trong sự phát xạ (nguyên tử chuyển từ mức trên xuống mức dưới) thì ta bỏ qua số hạng hấp thụ e i t và e  i t 1 2 Trong gần ... Khảo sát tính chất vật lý dịch chuyển nguyên tử kích thích kết hợp chùm tia laser làm đề tài nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ vật lý Mục tiêu luận văn nghiên cứu, tìm hiểu tính chất vật lý khảo. .. tác hai chùm laser kết hợp gần sóng quay gần lưỡng cực điện để tìm mức dịch chuyển nguyên tử Từ đề xuất mức khảo sát dịch chuyển 31 để khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ tính chất vật lý có liên... Trình bày sở lý thuyết tương tác hệ nguyên tử với xung ánh sáng môi trường quang học kết hợp Chương 2: Khảo sát tính chất vật lý có xác suất dịch chuyển nguyên tử môi trường quang học kết hợp có hiệu