Điều khiển lan truyền xung và chuyển mạch quang trong môi trường nguyên tử hai mức suy biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -  - LƯƠNG THỊ YẾN NGA ĐIỀU KHIỂN LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ HAI MỨC SUY BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LI NGHỆ AN - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -  - LƯƠNG THỊ YẾN NGA ĐIỀU KHIỂN LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ HAI MỨC SUY BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LI Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9440110 Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Huy Bằng NGHỆ AN - 2020 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 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 tơi suốt q 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 bô 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 Tôi 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 EIA CPT LWI SPM NLT MSE Re Im AOS RWA SVEA CW iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Nghĩa Giá trị c 2.998 10 m/s Vận tốc ánh sáng chân không Mômen lưỡng cực điện dịch chuyển n m Cường độ điện trường chùm laser điều khiển Cường độ điện trường chùm laser dò Năng lượng riêng trạng thái Số lượng tử xung lượng góc toàn phần Hamtiltonian toàn phần Hamiltonian nguyên tử tự Hamiltonian tương tác giữa hệ nguyên tử trường ánh sáng kB 1.38 mRb 1.44 -23 10 J/K -25 10 kg không thứ nguyên n N nguyên tử/m3 C/m2 K P T Hằng số Boltzmann Khối lượng nguyên tử Rb Chiết suất môi trường Mật độ nguyên tử Độ lớn vectơ phân cực điện (vĩ mô) Nhiệt độ tuyệt đối 1.26 10 H/m Hằng số tư 8.85 10-12 F/m Hằng số điện -6 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 Hz Tốc độ phân rã tự phát độ cư trú nguyên tử Tốc độ suy giảm tự phát độ kết hợp iv vc Kh c p c p - + Kh Kh µ m B ℏ 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 môi trường phi tuyến làm thay đôi hướng chùm tín hiệu khỏi mơi 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 toàn 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) mơ tả trạng thái nguyên tử trần (b) mô tả trạng thái nguyên tử mặc [10] 26 Hình 1.9 tới trạng thái kích thích , hình (a): (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 tư cơng trình Steck năm 2003 [81, 82, 85, 86] 35 Hình 2.1 Mơ hình chuyển mạch quang tạo bởi môi trường nguyên tử hai mức suy biến đặt tư trường B, laser dò Ep laser điều khiển Ec (a) Giản đồ lượng nguyên tử chưa có tư trường (b) có tư trường (c) 40 vi Hình 2.2 Phơ hấp thụ trường dò theo độ lệch tần chùm laser dò p không có tư trường a) B = (đường liền nét màu xanh) có mặt tư trường (đường đứt nét màu đỏ): b) B = c c) B = -2 c Các tham số khác hệ chọn Ωp = 0.01 21, Ωc = 21, c= γ23 = γ21, tương ứng 43 Hình 2.3 Sự tiến triển theo thời gian xung dò lan truyền (đường liền nét) tư 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, p = c = 0, B0 = 2γc (hoặc B = 2γ21), -1 −1 γ23 = γ21, thời gian khoảng cách lan truyền tính theo đơn vị γ21 α , tương ứng 46 Hình 2.4 Sự tiến triển theo thời gian lan truyền xung dò (đường liền nét) tư 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 đôi 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) tư trường chuyển mạch (đường đứt nét) tại độ sâu quang học ξ = 50/α độ lệch tần chùm dò khác nhau: (a) p = 1γ21; (b) p = 2γ21; (c) p = 3γ21và (d) p = 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) tư trường chuyển mạch (đường đứt nét) với độ sâu quang học ξ = 50/α tại độ lệch tần chùm điều khiển khác nhau: (a) c = 1γ21; (b) c = 2γ21; (c) c = 3γ21 (d) c = 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 tư trường độ lệch trường dò Các tham số hệ thống khác chọn lần lượt Ω p = 0,01γ21, Ω= = 3γ21, c= 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, p = c = 0, B = (hoặc B = 0), γ23 = γ21 53 vii [46] Dong Hoang Minh et al, “Effects of nonlinear absorption and third order dispersion on soliton propagation in optical fiber”, Photonics Letter Poland, 3, 76 (2016) 89 [47] Huang G, Jiang K, Payne M G and Deng L, “Formation and propagation of coupled ultraslow optical soliton pairs in a cold threestate double- - system”, Phys Rev E 73, 056606 (2006) [48] Si L G, Lu X Y, Hao X and Li J H, “Dynamical control of soliton formation and propagation in a Y-type atomic system with dual ladder-type electromagnetically induced transparency”, J Phys B: At Mol Opt Phys 43, 065403 (2010) [49] Chen Y, Bai Z, and Huang G, “Ultraslow optical solitons and their storage and retrieval in an ultracold ladder-type atomic system”, Phys Rev A 89, 023835 (2014) [50] Dong H M, Doai L V, Sau V N, Khoa D X and Bang N H, “Propagation of laser pulse in a three-level cascade atomic medium under conditions of electromagnetically induced transparency”, Photonics Letter Poland, 3, 73 (2016) [51] Khoa D X, Dong H M, Doai L V and Bang N H, “Propagation of laser pulse in a three-level cascade inhomogeneously broadened medium under electromagnetically induced transparency conditions”, Optik 131, 497 (2017) [52] H M Dong, L.V Doai, and N.H Bang, “Pulse propagation in an atomic medium under spontaneously generated coherence, incoherent pumping, and relative laser phase”, Opt Commun 426, 553 (2018) [53] Y Wu and L Deng, “Ultraslow bright and dark optical solitons in a cold three-state medium”, Opt Lett 29, 2064 (2004) [54] G Huang, L Deng, and M G Payne, “Dynamics of ultraslow optical solitons in a cold three-state atomic system”, Phys Rev E 72, 016617 90 (2005) [55] L Li and G.X Huang, “Slow-light solitons in thre – level atomic systems modified by a microwave field”, Eur Phys J D 58, 339–348 (2010) [56] Chao Hang and Guoxiang Huang, L Deng, “Stable high - dimensional spatial weak-light solitons in a resonant three-state atomic system”, Phys Rev E 74, 046601 (2006) [57] Qi Liu and Chaohua Tan, “Coherent control of subluminal optical solitons by the incoherent pumping in a ladder - type atomic system”, Eur Phys J D, 72 (2018) [58] Y Wu and L Deng, “Ultraslow Optical Solitons in a Cold Four - State Medium”, Phys Rev Lett 93, 143904 (2004) [59] D Han, Y Zeng, Y Bai, W Chen, H Cao, H Lu, C Huang, L Chen, “Optical solitons in a four - level inverted - Y system”, App Phys B, 91, 359–362 (2008) [60] L.G Si, W.X Yang, X.Y Lu, J.H Li, and X.X Yang, “Slow vector optical solitons in a cold four-level inverted - Y atomic system”, Eur Phys J D 55, 161–166 (2009) [61] Hamedi H R, Gharamaleki A H, and Sahrai M, “Colossal Kerr nonlinearity based on electromagnetically induced transparency in a double - ladder atomic system”, Appl Opt 22, 5892 (2016) five - level [62] Chengjie Zhu and Guoxiang Huang, “High - order nonlinear Schrödinger equation and weak-light superluminal solitons in active Raman gain media with two control fields”, Opt Express 19 (3), 1963 (2011) [63] Tarek S El - Bawab, et al., “Optical Switching”, Springer Sience, New York (2006) 91 [64] R Ramaswami and K N Sivarajan, “Optical Networks: A Practical Perspective, 2nd Ed” (Morgan Kaufmann, San Francisco, CA), Ch12, (2002) [65] M D Lukin, “Trapping and manipulating photon states in atomic ensembles,” Rev Mod Phys 75, 457 (2003) [66] R W Keyes, “Power dissipation in information processing”, Science 168, 796 (1970) [67] Kang H S, Zhu Y F, “Observation of large Kerr nonlinearity at low light intensities”, Phys Rev Lett., 91: 093601, (2003) [68] R W Keyes, “Power dissipation in information processing”, Science 168, 796 (1970) [69] C P Smith et al., “Low energy switching of laser doughnut modes and pattern recognition,”Optics Comm 102, 505 (1993) [70] R Martin, A J Scroggie, G L Oppo, and W J Firth, “Stabilization, Selection, and Tracking of Unstable Patterns by Fourier Space Techniques,” Phys Rev Lett 77, 4007 (1996) [71] F Prati, M Travagnin, and L A Lugiato, “Logic gates and optical switching with vertical - cavity surface-emitting lasers”, Phys Rev A 55, 690 (1997) [72] S Barland et al, “Cavity solitons as pixels in semiconductor microcavities,” Nature 419, 699 (2002) [73] B Gutlich, R Neubecker, M Kreuzer, and T Tschudi, “Control and manipulation of solitary structures in a nonlinear optical single feedback experiment,” Chaos 13, 239 (2003) [74] H M Gibbs, “Optical Bistability: Controlling Light with Light” (Academic Press, Orlando, 1985) 92 [75] S E Harris and Y Yamamoto, “Photon Switching by Quantum Interference,”Phys Rev Lett 81, 3611 (1998) [76] M D Lukin and A Imamoglu,“Nonlinear Optics and Quantum Entanglement of Ultraslow Single Photons,” Phys Rev Lett 84, 1419 (2000) [77] M Yan, E G Rickey, and Y Zhu, “Observation of absorptive photon switching by quantum interference”, Phys Rev A 64, 041801 (2001) [78] D A Braje, V Balić, G Y Yin, and S E Harris, , “Generation of Paired Photons with Controllable Waveforms,” Phys Rev A 68, 04180 (2003) [79] I.Novikova, A S Zibrov, D F Phillips, A André, and R L Walsworth, “Dynamic optical bistability in resonantly enhanced Raman generation,” Phys Rev A 69, 061802 (2004) [80] Dawes, A.M.C., Illing, L., Clark, S M., Gauthier, D J "All - optical switching in rubidium vapor", Science 308, 672 - 674 (2005) [81] Hamid Reza Hamedi, “linear and nonlinear phenomena for slow light”, phD thesis, Vinius 2017 Daniel A Steck, “Rubidium 87D Line Data, “ http://steck.us/alkalidata [83] R.W Boyd, “Nonlinear Optics 3rd”, Academic Press, 2008 [82] [84] J Ruseckas, A Mekys, and G Juzeliunas, “Slow polaritons with orbital angular momentum in atomic gases” Phys Rev A, 83:023812, Feb 2011 [85] Hoàng Minh Đồng, “Nghiên cứu lan truyền xung laser mơi trường ngun tử ba mức có mặt hiệu ứng EIT”, Luận án tiến sĩ vật lý, Trường Đại học Vinh (2017) [86] Chao Hang, Guoxiang Huang, and L Deng, “Stable high – dimensional spatial weak - light solitons in a resonant three - state atomic system”, Phys.Rev E, 74:046601, Oct 2006 [87] D X Khoa, N H Bang, L V Doai, Sách “Điều Khiển các tính chất quang 93 nguyên tử laser”, 2019 [88] B Li, Y Qi, Y Niu and S Gong, “Superluminal optical vector solitons in a five – level M - type atomic system”, J Phys B: At Mol Opt Phys 48, 065501 (2015) 94 PHỤ LỤC Các hệ đơn vị quang học phi tuyến Trong quang học phi tuyến, có hai hệ đơn vị thường sử dụng hệ đơn vị SI hệ đơn vị Gauss Trong phụ lục này, chúng tơi trình bày đơn vị hai hệ chuyển đối giữa chúng Bảng P1 Chuyển đôi đại lượng giữa hệ đơn vị SI Gauss [41] Đại lượng Chiều dài Khối lượng Thời gian Lực Năng lượng Công suất Cường độ dòng điện Điện tích Hiệu điện Điện trở Cuộn cảm Điện dung Điện trường Bảng P2 Các số vật lí hệ đơn vị SI hệ đơn vị Gauss [41] Đại lượng Vận tốc ánh sáng chân không Độ điện thẩm chân không Độ tư thẩm chân không Hằng số Avogadro Hằng số Planck Hằng số Boltzmann Điện tích electron Khối lượng electron Bán kính Bohn Electron volt Trong hệ đơn vị SI, phân cực liên hệ với cường độ trường theo hệ thức: P (t ) = đó, = 8.85 10 −12 F / m , P E 1F =1V C , Do đó, đơn vị độ cảm điện là: (A1) (A5) (A2) (A6) (A3) (A7) (A4) 96 (A8) phân cực liên hệ với cường độ trường Trong hệ đơn vị Gauss, (3) theo hệ thức: P (t ) = P, D, B, H M có cùng đơn vị Đơn vị tất đại lượng trường: E, P E là: (A10) P=E= Do đó, đơn vị độ cảm điện là: (A11) ( 2) (A12) (A13) (3) Chuyển đôi giữa đơn vị: sử dụng biểu thức (A2) (A10) liên hệ 1statvolt = 300V , tìm được: E(SI) = 10 Để tìm liên hệ giữa độ cảm điện tuyến tính hệ đơn vị SI hệ đơn vị Gaussian, sử dụng biểu thức độ điện dịch: D= 0E+P= 0E(1+ D=E+4 P=E(1+4 Do đó, (1) ( SI ) = (1) (Gauss) , Sử dụng biểu thức (A14) (A15) tìm được: 97 (3) (SI ) = = 1.40 10 −8 (3) (Gauss) 98 = 4.189 10 (A18) ... quang mơi trường nguyên tử hai mức suy biến Trong chương này, chúng tơi xây dựng mơ hình tích hợp chuyển mạch quang - tư chuyển mạch toàn quang sử dụng môi trường nguyên tử hai mức suy biến ảnh...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -  - LƯƠNG THỊ YẾN NGA ĐIỀU KHIỂN LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ HAI MỨC SUY BIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ... ảnh hưởng tư trường chuyển đôi giữa chuyển mạch quang tư chuyển mạch tồn quang thơng qua tham số điều khiển Chương Điều khiển lan truyền xung môi trường hai mức suy biến Trong chương này,