Luận án Tiến sĩ Vật lí: Tăng cường phi tuyến Kerr chéo dựa trên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ

Luận án Tiến sĩ Vật lí Tăng cường phi tuyến Kerr chéo dựa trên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ trình bày các nội dung chính sau: Cơ sở lý thuyết của hiệu ứng phi tuyến Kerr chéo; Tăng cường phi tuyến Kerr chéo của hệ nguyên tử bốn mức năng lượng cấu hình Y ngược; Tăng cường phi tuyến Kerr chéo của hệ nguyên tử sáu mức năng lượng cấu hình Y ngược.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - - NGUYỄN LÊ THỦY AN TĂNG CƯỜNG PHI TUYẾN KERR CHÉO DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - - NGUYỄN LÊ THỦY AN TĂNG CƯỜNG PHI TUYẾN KERR CHÉO DỰA TRÊN HIỆU ỨNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9440110 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Ngọc Sáu TS Lê Văn Đoài NGHỆ AN, 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung luận án cơng trình nghiên cứu hướng dẫn khoa học PGS.TS Vũ Ngọc Sáu TS Lê Văn Đoài kết nghiên cứu chưa dùng cho luận án cấp khác Tác giả luận án Nguyễn Lê Thủy An LỜI CẢM ƠN Luận án hoàn thành hướng dẫn khoa học PGS.TS Vũ Ngọc Sáu TS Lê Văn Đồi Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy giáo hướng dẫn - người tận tình giúp tơi nâng cao kiến thức tác phong làm việc tất mẫu mực người thầy tinh thần trách nhiệm người làm khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn đến GS.TS Nguyễn Huy Bằng quí thầy cô giáo Trường Đại học Vinh về ý kiến đóng góp khoa học bổ ích cho nội dung luận án, tạo điều kiện tốt thời gian học tập thực nghiên cứu 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 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN .7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 10 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 13 MỞ ĐẦU .14 Lý chọn đề tài 14 Mục tiêu nghiên cứu 17 Nội dung nghiên cứu 18 Phương pháp nghiên cứu 18 Bố cục luận án 18 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HIỆU ỨNG PHI TUYẾN KERR CHÉO 20 1.1 Sự phân cực phi tuyến 20 1.2 Hiệu ứng phi tuyến Kerr 22 1.3 Phân loại hiệu ứng phi tuyến Kerr 24 1.4 Cấu trúc mức lượng nguyên tử Rb 30 1.4.1 Nguyên tử Rb 30 1.4.2 Cấu trúc tinh tế 30 1.4.3 Cấu trúc siêu tinh tế 31 1.5 Một số phương pháp tăng cường hệ số phi tuyến Kerr chéo 34 1.5.1 Sử dụng cộng hưởng hai photon 34 1.5.2 Sử dụng EIT 36 1.5.2.1 Tăng cường hệ số phi tuyến Kerr chéo hệ nguyên tử ba mức lượng cấu hình bậc thang chưa có EIT 36 1.5.2.2 Sự suốt cảm ứng điện từ 38 1.5.2.3 Tăng cường phi tuyến Kerr chéo hệ nguyên tử bốn mức lượng có EIT 45 Kết luận chương 49 CHƯƠNG 2: TĂNG CƯỜNG PHI TUYẾN KERR CHÉO CỦA HỆ NGUYÊN TỬ BỐN MỨC NĂNG LƯỢNG CẤU HÌNH Y NGƯỢC 51 2.1 Mơ hình hệ ngun tử bớn mức cấu hình Y ngược 51 2.2 Hệ phương trình ma trận mật độ 52 2.3 Hệ số phi tuyến Kerr chéo 56 2.4 Điều khiển phi tuyến Kerr chéo 59 2.4.1 Sự tăng cường phi tuyến Kerr chéo 60 2.4.2 Điều khiển phi tuyến Kerr chéo theo tần số laser 62 2.4.3 Điều khiển phi tuyến Kerr chéo theo cường độ laser 64 2.5 Ảnh hưởng mở rộng Doppler lên phi tuyến Kerr chéo 65 Kết luận chương 74 CHƯƠNG 3: TĂNG CƯỜNG PHI TUYẾN KERR CHÉO CỦA HỆ NGUYÊN TỬ SÁU MỨC NĂNG LƯỢNG CẤU HÌNH Y NGƯỢC 75 3.1 Mơ hình hệ ngun tử sáu mức Y ngược 75 3.2 Hệ phương trình ma trận mật độ nguyên tử sáu mức 77 3.3 Hệ số phi tuyến Kerr chéo hệ nguyên tử sáu mức 81 3.4 Điều khiển phi tuyến Kerr chéo nguyên tử sáu mức 85 3.4.1 Sự tăng cường phi tuyến Kerr chéo đa tần số 86 3.4.2 Điều khiển phi tuyến Kerr chéo hệ sáu mức theo tần số laser 89 3.4.3 Điều khiển phi tuyến Kerr chéo hệ sáu mức theo cường độ laser 91 3.5 So sánh phi tuyến Kerr chéo cấu hình bớn mức sáu mức 92 Kết luận chương 94 KẾT LUẬN CHUNG 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 103 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Từ viết tắt Nghĩa EIT Electromagnetically Induced Transparency – Sự suốt cảm ứng điện từ CPT Coherence Population Trapping – Sự giam cầm độ cư trú kết hợp LWI Lasing Without Inversion – Phát laser không có đảo lộn độ cư trú SPM Self Phase Modulation – Tự điều biến pha SK XPM CK Self Kerr – Tự biến đổi Kerr Cross Phase Modulation – Điều biến pha chéo Cross Kerr – Biến đổi Kerr chéo DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu anm c Đơn vị Nghĩa không thứ nguyên Cường độ liên kết tỷ đối dịch chuyển nguyên tử 2,998  108 m/s Vận tốc ánh sáng chân không dnm 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 F không thứ nguyên H J Hamtilton toàn phần H0 J Hamilton nguyên tử tự HI J Hamilton tương tác hệ nguyên tử trường ánh sáng I W/m2 Năng lượng riêng trạng thái n Số lượng tử xung lượng góc toàn phần Cường độ chùm ánh sáng 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 Chiết suất hiệu dụng n0 không thứ nguyên Chiết suất tuyến tính n2 m2 /W Hệ số phi tuyến Kerr N nguyên tử/m3 P C/m2 Độ lớn véctơ phân cực điện (vĩ mô) P(1) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực tuyến tính P(2) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực phi tuyến bậc hai P(3) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực phi tuyến bậc ba Mật độ nguyên tử Nhiệt độ tuyệt đối T K  m-1 0 1,26  10-6 H/m Độ từ thẩm chân không  H/m Độ từ thẩm môi trường 0 8,85  10-12 F/m Hằng số điện chân không  F/m Độ điện thẩm môi trường Hệ số hấp thụ tuyến tính r không thứ nguyên Hằng số điện môi tỷ đối 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 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 dh không thứ nguyên Độ cảm điện hiệu dụng (1) không thứ nguyên Độ cảm điện tuyến tính (2) m/V Độ cảm điện phi tuyến bậc hai (3) m2 /V2 Độ cảm điện phi tuyến bậc ba  - Ma trận mật độ (0) - Ma trận mật độ gần đúng cấp không (1) - Ma trận mật độ gần đúng cấp (2) - Ma trận mật độ gần đúng cấp hai (3) - Ma trận mật độ gần đúng cấp ba c Hz Tần số Rabi gây trường laser điều khiển p Hz Tần số Rabi gây trường laser dò  Hz Độ lệch tần số laser với tần số dịch chuyển nguyên tử (viết tắt: độ lệch tần số) c Hz Độ lệch tần số laser điều khiển với tần số dịch chuyển nguyên tử p Hz Độ lệch tần số laser dò với tần số dịch chuyển nguyên tử  Hz Khoảng cách (theo tần số) mức lượng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỜ THỊ Hình Nợi dung 1.2 Hai cách làm thay đổi chiết suất hiệu dụng môi trường: (a) tự điều biến pha (b) điều biến pha chéo [1-3] Sơ đồ mức lượng tinh tế siêu tinh tế nguyên tử 85 Rb [41] 1.3 Giản đồ cộng hưởng hai photon [41] 1.4 Sự biến thiên hệ số phi tuyến theo độ lệch tần số hai photon [41] 1.1 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 Sơ đồ điều biến pha chéo ba mức: hai trường ánh sáng tới có tần số  a , b , độ lệch tần a , b ;  ,  tốc độ phân rã trạng thái , [21] Sơ đồ ba mức lượng lamđa, hai trạng thái đưa về trạng thái kích thích phân rã tốc độ  [21] Độ cảm điện tuyến tính hai trường hợp a) hệ nguyên tử hai mức b) hệ nguyên tử ba mức lamđa [5] Nguyên tử ba mức kích thích hai trường laser theo cấu hình lambda: (a) mô tả trạng thái nguyên tử trần (b) mô tả trạng thái nguyên tử mặc [41] Hai nhánh kích thích từ trạng thái tới trạng thái kích thích , nhánh 1: kích thích trực tiếp  nhánh 2: kích thích gián tiếp    [41] 1.10 1.11 1.12 2.1 Độ cảm điện bậc ba hệ số hấp thụ trường hợp điều biến pha chéo mơ hình ba mức lượng lamđa [5] a) Sơ đồ XPM bốn mức lượng áp dụng cho nguyên tử 87 Rb, b) Cấu trúc mức lượng sử dụng mơ hình bớn mức N [21] a) Độ cảm điện hệ số hấp thụ theo độ lệch tần số trường dò, b) Độ cảm điện phi tuyến bậc ba phần ảo độ cảm điện phi tuyến bậc ba theo độ lệch tần số trường tín hiệu [5] Sơ đồ hệ lượng tử bốn mức lượng Y ngược Sự biến thiên 2.2 2.3 2.4  p theo độ lệch tần chùm dò p c = s = (a) Sự biến thiên  s theo độ lệch tần chùm tín hiệu s c = p = (b) với tham số  p   s  0.1 ,  c  4 Đường nét gạch đường liền nét biểu diễn hệ số hấp thụ tán sắc tương ứng Sự biến thiên hệ số phi tuyến Kerr chéo theo độ lệch tần chùm dò p (a) theo độ lệch tần chùm tín hiệu s (b)  c  4MHz (đường liền nét màu đỏ)  c  (đường đứt nét màu xanh) với độ lệch tần chùm điều khiển c  Sự biến thiên hệ số phi tuyến Kerr chéo n theo độ lệch tần chùm dò  p 10 ... chủ đề ? ?Tăng cường phi tuyến Kerr chéo dựa hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ? ?? làm đề tài nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng mơ hình giải tích biểu diễn hệ sớ phi tuyến Kerr chéo hệ... của hiệu ứng phi tuyến Kerr chéo Trong chương này, chúng tơi trình bày sở lý thuyết về phân cực phi tuyến; hiệu ứng phi tuyến Kerr số phương pháp tăng cường phi tuyến Kerr Hiệu ứng suốt. .. giảm hấp thụ tăng cường hệ số phi tuyến Kerr miền cộng hưởng Với ưu điểm vượt trội hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ [9, 10], nghiên cứu về tăng cường phi tuyến Kerr dựa hiệu ứng phát triển