Khảo sát tính chất vật lý trong dich chuyển nguyên tủ dưới sự kích thích kết hợp của các chùni tia laser

12 ƠN TẠO Bộ GIÁO LỜI DỤCCẢM VÀ ĐÀO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -Tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến PGS TS Vũ Ngọc Sáu Thầy định hướng tận tình hướng đẫn, hô trợ em tiếp cận giải vấn đề khoa học Chỉnh nhờ giúp đỡ tận tình thầy em hoàn thành luận văn HUỲNH THANH TRÚC Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chăn thành tới Ban chủ nhiệm khoa sau đại học, khoa vật lý, thay giáo, cô giáo dã giúp dỡ, giảng dạyĩ TÍNH VẬT LÝ TRONG DỊCH trình KHẢO học tập SÁT thực hiệnCHẤT luận văn CHUYỂN NGUYÊN TỬ DƯỚI KÍCH THÍCH Tác giả cũngKÉT xin cám CÁC thầy cô trongTIA hội UASER đồng phản biện, TS HỢPơn CỦA CHÙM Đoàn Hoài Sơn PGS TS Hỗ Quang Quỷ, người đọc qua luận văn nậy cho em ỷ kiến quý báu nội dung hình thức đế CHUYÊN NGÀNH: QUANG HỌC luận văn hoàn thiện MÃ SỔ: 60.44.01.09 Tác giả cảm ơn bạn học lớp Ouang học K19 có LUẬN VĂN THẠC sĩ VẶT LÍ Người hướng dân khoa học: VINH, 2013 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương .6 TƯƠNG TÁC GIỮA HẸ NGUYÊN TỬ VỚI XUNG ÁNH SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KÉT HỢP 1.1 Môi trường quang học kết hợp .6 1.1.1 K hái niệm môi trường quang hoc kết hợp .6 1.1.2 C ác hiệu úng môi trường quang học kết hợp 1.2 P hương trình Liouville trình phân rã .12 1.3 Phương trình ma trận mật độ cho hệ nguyên tử ba mức cấu hình lambda 14 KÉT LUẬN CHƯƠNG 24 Chương 25 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ KHI CÓ DỊCH CHUYỂN NGUYÊN l TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KẺT HỢP 25 2.1 Khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ cho hệ nguyên tủ 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 số tán sắc 26 2.1.3 Hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ 27 2.2 Khảo sát tính chất hiệu úng EIT cấu hình Lambda ba mức MỠ ĐẦU Như biết, từ năm 90 kỷ XX, laser đòi 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 biếu 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 dich chuyển nguyên tủ kích thích kết hợp chùni 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 họp 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 chuyên nguyên tử môi trường quang học kết họp có hiệu ứng aây nhiễu bẫy quang từ Chương TƯƠNG TÁC GIỮA HỆ NGUYÊN TỬ VỚI XUNG ÁNH SÁNG TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KÉT HỢP 1.1 Môi trường quang học kết hợp 1.1.1 Khái niêin môi trường quang hoc kết hơp 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 thòi 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 họp giao thoa kênh kích thích dẫn đến phân rã liên tục hình 1.1 [6] (a) (b) Hình 1.1: Sự giao thoa kênh kích thích có phân rã liên tục: (a) cho thay tự lon hóa cộng hưởng trạng thái, (b) cho thay tự ion có kết họp hai trạng thái đưa Fano hóa Trong trường hợp giao thoa hai trường liên kết có cường độ khác nhau, trường thứ hai có cường độ mạnh hon trường thứ nhiều có giao thoa cảm ứng trường điều khiến 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 đê 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 Staníòrd, 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, vói góp phần độ cảm tuyến tính dẫn đến cộng hưởng kép, đó, thông số cua 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 hựp Có cấu hình kích thích hệ nguyên tử mức: hình thang, chữ V lambda Trong phương án thục 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 11) — 12) 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 dưói 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 cẩu hình lambda Trong sơ đồ cấu hình lambda ba mức với trường dò có tần số ù)pvầ trường điều khiển có tần số ỚJC Đặt Al = - Cửp A2 = ứ)32 - C0c lần độ lệch tần chùm laser dò chùm laser điều khiển lượt ' h (A, H = A 0) -— L " 2Al 10 Trong Trạng đó, thái riêng trường có laser thể mạnhghi điều nhận hưởng lại dịchtrạng chuyển thái giữanguyên mức tử thuần: |2) |3) chùm laser dò yếu điều hưởng dịch chuyên |l) |s) Haminton toàn phần hệ nguyên tử ba mức xác định bằng: I a+ ^ = sin sin + cos [...]... pn để khảo sát hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ và tính chất vật lý có liên quan Chúng tôi đã tìm hiêu tính chất của hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ khi có xác suất dịch chuyển nguyên tử p13 trong môi trường quang học kết hợp , từ đó đã khảo sát tính chất quang học của nguyên tử khi có hiệu ứng gây nhiễu của bẫy quang từ Đây là một đề tài khảo sát xác suất dịch chuyển nu uyên tử pl3 trong. .. tử pl3 trong môi trường quang học kết hợp và chúng tôi đã khảo sát tìm hiểu tính chất của EIT áp dụng cho nguyên tử Rubi trong bẫy quang từ Kết quả thu được trong đề tài góp phần làm sáng tỏ lý thuyết về sự phụ thuộc của hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ khi có sự dịch chuyển của nguyên tử trong môi trường quang học 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đình Văn Hoàng, Vật lý laser và ứng dụng [2] Lê Văn Đoài,... tương tác bằng các hình thức luận ma trận mật độ, từ đó tìm ra phần thực và phần ảo của yếu tố pu 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 l ử TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KÉT HỢP 2.1 Khảo sát hiện tượng trong suốt cảm ứng điện tù’ cho hệ nguyên tử ba inức cấu hình ỉambda 2.1.1 Mối liên hê giữa đô cảm điên và các phần tử ma... vấn đề : • về môi trường quang học kết họp 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 cấư hình lambda ba mức • Bằng phương trình Block... Trong bài luận văn, chúng tôi đã trình bày được cơ sở lý thuyết về môi trường quang học kết hợp, từ đó chọn ra cấu hình lambda ba mức đế khảo sát sự dịch chuyển của nguyên tử Bằng phương pháp tính ma trận mật độ chúng tôi đã giái bài toán tương tác của hai chùm laser kết họp trong gần đúng sóng quay và gần đúng lưỡng cực điện để tìm ra các mức dịch chuyển nguyên tử Từ đó đề xuất mức khảo sát dịch chuyển. .. phần tử ma trân mât độ Đế 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 mô men lưỡng cực LI liên kết hai mức I m) và I n), được cho bởi:... nhìn thấy trong hình 2.7a có một đỉnh nhỏ phía bên trái của cộng hưởng F’=3 được tạo ra khi tần số của trường dò trùng với tần số trường bẫy của độ lệch tần đỏ.[10] 37 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 • Chúng tôi đã sử dụng phần thực và phần ảo của sự dịch chuyển nguyên tử p13 trong cấu hình lambda để tính toán lý thuyết tìm ra phần thực và phần ảo của độ cảm , từ đó tính hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc của môi trường... và chùm dò phân cực trực giao với nhau Tần số của chùm dò có thế 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 đẫn của trường dò phụ thuộc tần sổ trường dò trong vạch D2 của RhS7 với mật độ nguyên tửN=107 nguyên tử Các cửa sô trong suốt cho thấy dấu hiệu của EIT Trong hình a, khi có bẫy quang từ, đường biểu... của phần tử ma trận mật độ pỊ3 Chúng ta sử dụng phần thực để tính toán hệ số tán sắc (chiết suất) của môi trường và sử dụng phần ảo đế tính toán hệ số hấp thụ cua môi trường Từ đó khảo sát sự phụ thuộc của hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ dựa vào hệ số tán sắc và hệ số hấp thụ 24 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Trong chương này chúng tôi trình bày được các vấn đề : • về môi trường quang học kết họp đó là sự. .. Chúng tôi đã sử dụng các hệ số trên để khảo sát tính chất quang học của hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ bằng phương pháp đồ thị Từ đó cũng cho chúng ta thấy có thể điều khiển sự hấp thụ và tán sắc theo cường độ trường kích thích và theo độ lệch tần • Chúng tôi tìm hiểu lý thuyết về hoạt động của bẫy quang từ (MOT), từ đó đã cho thấy ảnh hưởng của bẫy quang từ lên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện ... 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 5 Do đó, chọn đề tài: Khảo sát tính chất vật lý dich chuyển nguyên tủ kích. .. để khảo sát tính chất hiệu ứng suốt điện từ 25 Chương KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LÝ KHI CÓ DỊCH CHUYỂN NGUYÊN l TRONG MÔI TRƯỜNG QUANG HỌC KÉT HỢP 2.1 Khảo sát tượng suốt cảm ứng điện tù’ cho hệ nguyên. .. kích thích kết hợp chùni 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