Ảnh hưởng của phân cực và pha tương đối giữa các trường laser lên tính chất quang của môi trường nguyên tử ba mức năng lượng

1. Chúng tôi đã tìm được các biểu thức giải tích cho hệ số hấp thụ, tán sắc và chiết suất nhóm trong các hệ nguyên tử ba mức gồm các cấu hình lambda, bậc thang và chữ V. Từ đó, chúng tôi đã nghiên cứu được sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ, tán sắc theo cường độ, tần số, sự phân cực (hay SGC) và pha tương đối giữa các trường laser. Đồng thời, chúng tôi đã so sánh được sự thay đổi của hệ số hấp thụ, tán sắc giữa ba cấu hình kích thích lambda, bậc thang và chữ V. Sự so sánh cho thấy sự thay đổi hấp thụ và tán sắc trong cấu hình lambda lớn hơn so với các cấu hình bậc thang và chữ V. Ngoài ra, đường cong tán sắc trong cấu hình chữ V biến thiên ngược chiều so với cấu hình lambda và bậc thang. 2. Khi có mặt SGC, chiết suất nhóm thay đổi rất đáng kể theo tham số giao thoa p, đặc biệt trong miền từ 0.7 đến 1. Tương tự như hấp thụ và tán sắc, sự thay đổi của chiết suất nhóm theo tham số giao thoa p trong cấu hình lambda thì nhạy hơn trong cấu hình bậc thang và chữ V. Đặc biệt, chiết suất nhóm có thể được biến đổi từ dương đến âm và ngược lại khi thay đổi tham số giao thoa p từ 0.7 đến 1. Điều này có nghĩa là, ta có thể chuyển đổi sự lan truyền ánh sáng từ nhanh sang chậm và ngược lại bằng cách thay đổi góc giữa các mômen lưỡng cực dịch chuyển. Trong chế độ trường dò yếu, chúng tôi tìm được vận tốc nhóm bé nhất cỡ 2.63´104 ms thuộc miền ánh sáng siêu chậm tương ứng với thời gian trễ cực đại cỡ 1060s trong cấu hình lambda. 3. Khi có mặt SGC thì các tính chất quang của môi trường trở nên rất nhạy với pha tương đối giữa các trường laser. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hấp thụ, tán sắc và chiết suất nhóm biến thiên theo pha tương đối với chu kỳ 2p. Chiết suất nhóm đạt cực trị âm tại j = 0 and 2π và cực trị dương tại j = π và p trong cả hai cấu hình lambda và bậc thang. Tuy nhiên, trong cấu hình chữ V thì chiết suất nhóm đạt cực trị âm tại j = π và p và cực trị dương tại j = 0 và 2π. Như vậy, bằng cách thay đổi pha tương đối thì chúng ta cũng có thể chuyển đổi sự lan truyền giữa ánh sáng nhanh và ánh sáng chậm. Các kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được công bố trong 02 bài báo trong các tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI và 03 bài báo trong nước.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ NGUYỄN MAI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN, 2020 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ NGUYỄN MAI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 Cán hướng dẫn: GS TS Nguyễn Huy Bằng TS Lê Văn Đoài NGHỆ AN, 2020 ii 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 TS Lê Văn Đoài Các kết luận án trung thực cơng bố tạp chí chuyên ngành nước quốc tế Nghệ An, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Nguyễn Mai Anh iii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến GS TS Nguyễn Huy Bằng TS Lê Văn Đoài - người định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình ln động viên, đồng hành sát cánh tất tận tâm, nhiệt huyết, niềm đam mê khoa học suốt trình nghiên cứu hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Viện Sư phạm Tự nhiên, Chuyên ngành Quang học, Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Vinh Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học - Trường Đại học Nông Lâm TPHCM hỗ trợ, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ nghiên cứu sinh trình học tập, nghiên cứu công tác Tôi xin cảm ơn bình luận, ý kiến đóng góp khoa học quý báu cho luận án nhà khoa học, đồng nghiệp, bạn bè buổi thảo luận seminar báo cáo chuyên đề chuyên ngành Quang học Trường Đại học Vinh Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè quan tâm, động viên giúp đỡ suốt thời gian qua Nghệ An, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Nguyễn Mai Anh iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ XII MỞ ĐẦU CHƯƠNG CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT QUANG CỦA NGUYÊN TỬ BẰNG LASER 1.1 Giới thiệu 1.2 Cơ sở lý thuyết lan truyền ánh sáng môi trường 10 1.2.1 Phương trình truyền sóng .10 1.2.2 Sự hấp thụ tán sắc .11 1.3 Vận tốc pha vận tốc nhóm 13 1.3.1 Vận tốc pha 13 1.3.2 Vận tốc nhóm 13 1.3.3 Vận tốc tín hiệu 14 1.4 Ánh sáng nhanh ánh sáng chậm 16 1.5 Độ trễ nhóm xung sáng .19 1.6 Hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ 20 1.7 Ứng dụng điều khiển ánh sáng nhanh ánh sáng chậm 23 1.7.1 Bộ nhớ lượng tử .23 1.7.2 Xử lý thông tin quang 23 1.7.3 Tăng độ phân giải giao thoa kế .24 1.8 Kết luận chương .26 v CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN HẤP THỤ VÀ TÁN SẮC 28 2.1 Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình lambda 28 2.1.1 Hệ phương trình ma trận mật độ 28 2.1.2 Độ kết hợp tạo phát xạ tự phát SGC .31 2.1.3 Ảnh hưởng pha tương đối hai trường laser .33 2.1.4 Nghiệm hệ phương trình ma trận mật độ 35 2.2 Sự kích thích ngun tử theo cấu hình bậc thang .38 2.3 Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình chữ V 43 2.4 Hệ số hấp thụ hệ số tán sắc 50 2.5 Điều khiển hấp thụ tán sắc 51 2.5.1 Ảnh hưởng SGC 52 2.5.2 Ảnh hưởng cường độ trường điều khiển 57 2.5.3 Ảnh hưởng độ lệch tần số trường điều khiển .60 2.5.4 Ảnh hưởng pha tương đối trường laser 64 2.6 So sánh với kết mô phương pháp số .68 2.7 Kết luận chương .70 CHƯƠNG ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN CHIẾT SUẤT NHÓM VÀ ĐỘ TRỄ NHÓM 72 3.1 Chiết suất nhóm độ trễ nhóm .72 3.1.1 Chiết suất nhóm .72 3.1.2 Độ trễ nhóm 72 3.2 Điều khiển chiết suất nhóm .73 3.2.1 Ảnh hưởng SGC 73 3.2.2 Ảnh hưởng cường độ trường điều khiển 76 vi 3.2.3 Ảnh hưởng tần số trường điều khiển .79 3.2.4 Ảnh hưởng pha tương đối trường laser 81 3.3 Điều khiển độ trễ nhóm .83 3.3.1 Ảnh hưởng SGC lên độ trễ nhóm 83 3.3.2 Ảnh hưởng cường độ trường điều khiển lên độ trễ nhóm .84 3.3.3 Ảnh hưởng tần số trường điều khiển lên độ trễ nhóm 85 3.3.4 Ảnh hưởng pha tương đối lên độ trễ nhóm .86 3.4 So sánh ảnh hưởng SGC pha tương đối chế độ trường dò yếu chế độ trường dò mạnh 87 3.4.1 Ảnh hưởng SGC chế độ trường dò yếu trường dò mạnh 87 3.4.2 Ảnh hưởng pha tương đối chế độ trường dò yếu chế độ trường dò mạnh 92 3.4.3 Ảnh hưởng pha tương đối lên độ trễ nhóm chế độ trường dò yếu .95 3.5 Kết luận chương .96 KẾT LUẬN CHUNG 99 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỚ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 PHỤ LỤC 111 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CPO Coherent Population Oscillations Dao động độ cư trú kết hợp CPT Coherence Population Trapping Sự giam cầm độ cư trú kết hợp EIT Electromagnetically Induced Transparency Sự suốt cảm ứng điện từ EIA Electromagnetically Induced Absorption Hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ LWI Lasing Without Inversion Phát laser đảo lộn độ cư trú SGC Spontaneously Generated Coherence Độ kết hợp tạo phát xạ tự phát Re Real part Phần thực Im Imaginary part Phần ảo viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị c m/s Vận tốc ánh sáng chân không nm C.m Mômen lưỡng cực điện dịch chuyển n - m Ec V/m Cường độ điện trường chùm laser điều khiển Ep V/m Cường độ điện trường chùm laser dò En J Năng lượng riêng trạng thái n F khơng thứ ngun Số lượng tử mơ men góc tồn phần H J Hamtilton toàn phần H0 J Hamilton nguyên tử tự HI J Hamilton tương tác hệ nguyên tử ánh sáng I W/m2 Cường độ chùm ánh sáng kB J/K Hằng số Boltzmann mRb kg Khối lượng nguyên tử Rb N Nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử P C/m2 Độ lớn véctơ phân cực điện (vĩ mô) P(1) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực tuyến tính  m-1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 0 F/m Hằng số điện chân không Nghĩa ix 0 H/m Hằng số từ chân không  F/m Độ điện thẩm môi trường  H/m Độ từ thẩm môi trường r không thứ nguyên Độ điện thẩm tỷ đối r không thứ nguyên Độ từ thẩm tỷ đối n0 khơng thứ ngun Chiết suất tuyến tính n không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng ng không thứ nguyên Chiết suất nhóm 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 J.s Hằng số Planck rút gọn  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 Phần thực độ cảm điện , Im() không thứ nguyên Phần ảo độ cảm điện (1) không thứ nguyên Độ cảm điện bậc (tuyến tính)  - Ma trận mật độ x ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH LÊ NGUYỄN MAI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC NĂNG LƯỢNG... 3.3.1 Ảnh hưởng SGC lên độ trễ nhóm 83 3.3.2 Ảnh hưởng cường độ trường điều khiển lên độ trễ nhóm .84 3.3.3 Ảnh hưởng tần số trường điều khiển lên độ trễ nhóm 85 3.3.4 Ảnh hưởng pha tương. .. chuyển nguyên tử p Hz Độ lệch tần số laser dò với tần số dịch chuyển nguyên tử p (độ) Pha trường laser dò c (độ) Pha trường laser điều khiển  (độ) Độ lệch pha trường dò trường điều khiển (pha