THÔNG TIN TÀI LIỆU
MỤC LỤC Trang Bảng ký hiệu từ viết tắt Mở đầu Chương I: Nguyên tắc hoạt động bẫy Quang - Từ 1.1 Nguyên lý làm lạnh nguyên tử Laser 1.1.1 Nguyên lý làm lạnh Doppler 1.1.1.1 Các thí nghiệm truyền động lượng photon cho nguyên tử 1.1.1.2 Sự làm lạnh Doppler không gian chiều 1.1.1.3 Sự làm lạnh Doppler không gian ba chiều 11 1.1.2 Nguyên lý làm lạnh giới hạn Doppler 14 1.1.2.1 Lý thuyết làm lạnh giới hạn Doppler 15 1.1.2.2 Làm lạng gradient phân cực Lin Lin 20 1.1.2.3 Làm lạnh gradient phân cực 24 1.2 Nguyên lý hoạt động bẫy Quang – Từ 25 Kết luận chương I 29 Chương II: Bẫy Quang – Từ cho nguyên tử Rb85 30 2.1 Sơ đồ mức lượng nguyên tử Rb85 30 2.2 Tổng quan cấu trúc bẫy Quang - Từ 34 2.3 Sơ đồ quang học bẫy Quang - Từ 35 2.4 Hệ thống từ trường 38 2.5 Hệ Laser 39 2.6 Hệ chân không 41 2.7 Ứng dụng bẫy Quang - Từ 45 2.7.1 Phổ phân giải cao 45 2.7.2 Thí nghiệm quan sát hiệu ứng EIT 46 2.7.2.1 Mô tả lý thuyết 48 2.7.2.2 Kết tính tốn lý thuyết 49 2.7.2.3 Đề xuất mơ hình thực nghiệm 53 Kết luận chương II 54 KẾT LUẬN CHUNG 55 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 57 Tài liệu tham khảo 58 Bảng ký hiệu từ viết tắt MOT Bẫy Quang Từ DL Laser Điốt IS Cách ly quang SC Bình chứa Rb QW Bản phần tư bước sóng HW Bản phần hai bước sóng M Gương TE Bộ mở rộng chùm tia PP Bộ chuyển phân bố chùm laser từ dạng elip sang dạng tròn CCD Camera CCD MG Nam châm vĩnh cửu Z1 Gương có hệ số hấp thụ 20% QC Cuộn dây PBS Bộ tách chùm tia phân cực PD1 Điốt quang FBI Giao thoa kế Fabry Perot EIT Hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ F Thấu Kính AOM Bộ biến điệu âm tần ECDL Laser điốt buồng cộng hưởng mở rộng UHV Buồng có độ chân khơng cực cao Σ Bộ cộng tần số hfs Cấu trúc siêu tinh tế MỞ ĐẦU Kề từ đời năm 1960, công nghệ laser phát triển áp dụng vào nhiều lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng Ánh sáng laser có đặc điểm mật độ cơng suất lớn, tính định hướng, độ phân cực độ đơn sắc cao sử dụng kỹ thuật phổ để nghiên cứu cấu trúc vật chất (như nguyên tử phân tử vật liệu) Bên cạnh phạm vi không gian hẹp chùm laser (tức chùm photon) có động lượng lớn nhiều so với chùm sáng thông thường điều dẫn tới hệ tương tác với vật chất xung lượng chùm laser truyền sang cho vật chất trở nên “đáng kể” Hệ điều thay đổi chuyển động nguyên tử/phân tử bên hệ Đây sở để A.Ashkin đề xuất lực áp suất ánh sáng lên nguyên tử vào năm 1970 Năm 1975, T.W Hänsch A.L Schawlow đề xuất ánh sáng laser sử dụng để làm chậm chuyển động nhiệt (còn gọi làm lạnh) nguyên tử Khi nguyên tử hấp thụ photon động lượng thay đổi theo định luật bảo tồn động lượng Song song với trình hấp thụ có q trình phát xạ tự phát mà nguyên tử phát xạ photon theo hướng Một chu trình hấp thụ - phát xạ tự phát thường xảy khoảng thời gian cỡ nano giây Vì khoảng thời gian ngắn mili giây tương tác chùm laser với nguyên tử có nhiều chu trình hấp thụ - phát xạ tự phát thực Vì tính ngẫu nhiên phát xạ tự phát nên lấy trung bình khoảng thời gian tương tác phát xạ tự phát khơng đóng góp vào thay đổi động lượng hệ nguyên tử Hệ nguyên tử tích lũy thêm động lượng động lượng tổng cộng tất photon mà hấp thụ Đây sở nguyên lý làm lạnh nguyên tử ánh sáng laser Các thí nghiệm thành công làm lạnh laser thực V.I Balykin V.S Letokhov Moscow W.D Phillips cộng tác viên Gaithersburg vào khoảng năm 1980 Các kỹ thuật làm lạnh laser nhanh chóng phát triển sau W.D Phillips, S Chu C.Cohen-Tannoudji để làm lạnh kim loại kiềm tới nhiệt độ cỡ vài trăm micro Kelvin Để giữ nguyên tử làm lạnh loại bẫy khác đề xuất sử dụng bẫy quang học, bẫy từ, bẫy quang trọng trường bẫy quang từ Trong ba loại bẫy sử dụng cho hệ nguyên tử có vận tốc đủ bé (tương ứng với nhiệt độ cỡ mili Kelvin) bẫy quang tử sử dụng cho hệ nguyên tử có nhiệt độ cỡ hàng trăm Kelvin hoạt động dựa chế vừa làm lạnh vừa bẫy Thực nghiệm bẫy quang từ thực nhóm C.Cohen-Tannoudji J Dalibard Paris năm 1986, phát triển nhóm D.E Pritchard với hợp tác S.Chu Hiện nay, bẫy quang từ sử dụng để làm lạnh nguyên tử nghiên cứu hiệu ứng liên quan, như: làm lạnh vận tốc nhóm ánh sáng, suốt cảm ứng điện từ, tăng cường hiệu suất biến đổi trình quang phi tuyến Đây lĩnh vực mới, nhiều điều chưa sáng tỏ quan tâm nghiên cứu nhiều trường đại học viện nghiên cứu giới Tuy nhiên, điều kiện khách quan nên Việt Nam lĩnh vực quan tâm nghiên cứu năm trở lại trường Đại học Vinh Với mục đích tìm hiểu ngun lý tiến hành số nghiên cứu lý thuyết liên quan đến nguyên tử lạnh đề làm sở cho nghiên cứu sau chọn: “ BẪY QUANG - TỪ CHO NGUYÊN TỬ Rb85” để làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn trình bày hai chương theo bố cục sau: Chương I: Nguyên tắc hoạt động bẫy Quang - Từ Trong chương chúng tơi trình bày ngun lý làm lạnh nguyên tử laser như: nguyên lý làm lạnh Doppler, nguyên lý làm lạnh mức mức Doppler trình bày nguyên tắc hoạt động bẫy Quang - Từ Chương II: Bẫy Quang - Từ cho nguyên tử Rb85 Trong chương chúng tơi trình bày tổng quan sơ đồ mức lượng Rb85, sơ đồ lắp đặt bẫy quang – từ cho nguyên tử Rb85 Trong chúng tơi trình bày sơ đồ khối hệ thống bẫy như: sơ đồ khối bẫy quang từ, sơ đồ hệ thống quang học, sơ đồ hệ thống tạo từ trường, sơ đồ hệ thống laser sơ đồ hệ thống bơm chân không Trong chương chúng tơi trình bày hai ứng dụng bẫy quang từ phổ phân giải cao sơ đồ thực nghiệm để quan sát tượng suốt cảm ứng điện từ Chương I Nguyên lý hoạt động Bẫy Quang-Từ 1.1 Nguyên lý làm lạnh nguyên tử laser 1.1.1.Làm Lạnh Doppler Các phương pháp chủ yếu nguyên tử làm lạnh laser minh hoạ mơ hình lí tưởng ngun tử hai mức Trong mơ hình nguyên tử hai mức, đạt tới nhiệt độ tối thiểu [2] TD / kB xác định nửa độ rộng tự nhiên ( ) vạch phổ ứng với dịch chuyển làm lạnh Do chế làm lạnh laser trường hợp nguyên tử hai mức dựa hấp thụ phôtôn nguyên tử chuyển động xạ quang học dịch chuyển Doppler nên việc làm lạnh nguyên tử tới nhiệt độ TD /k B thường gọi làm lạnh Doppler 1.1.1.1 Các thí nghiệm truyền động lượng photon cho nguyên tử Trong phần chúng tơi trình bày ý tưởng giảm tốc độ làm lạnh chùm nguyên tử nhiệt chùm laser Trong hình chùm laser chỉnh phía đỏ tạo lực áp suất xạ [2] F rp k G(r ) G(r ) ( kv) (1.1) Hình 1: (a) Sơ đồ làm lạnh chùm nguyên tử chùm laser lan truyền ngược chiều (b) Lực phụ thuộc vào vận tốc (c) Phân bố vận tốc thời điểm t2>t1>t0 Làm giảm tốc nguyên tử có hiệu với vận tốc dọc vz gần với vận tốc cộng hưởng vch = d/k Độ giảm vận tốc nguyên tử mà vận tốc chúng xa với vận tốc cộng hưởng hiệu lực áp suất xạ (1.1) có phụ thuộc vận tốc dạng Lorentz Kết lực áp suất xạ vừa làm giảm tốc nguyên tử vừa làm hẹp phân bố vận tốc nguyên tử dịch chuyển điểm cực đại phía khơng nghĩa tạo làm lạnh chùm nguyên tử Trong hình trình bày dạng phân bố vận tốc thí nghiệm chùm nguyên tử Na giảm tốc làm lạnh xạ laser màu thí nghiệm làm lạnh nguyên tử [2] Hình Sự phân bố vận tốc chùm nguyên tử Na bị làm chậm vận tốc chùm laser màu thí nghiệm làm lạnh laser Phương pháp đơn giản nói việc làm lạnh laser dọc độ chỉnh cố định hiệu nguyên tử làm lạnh chuyển động với vận tốc gần với vận tốc cộng hưởng Hiệu suất việc giảm tốc việc làm lạnh giảm cách tự nhiên nguyên tử lệch khỏi cộng hưởng với ánh sáng laser giảm vận tốc Để trì tốc độ làm lạnh giảm tốc cao, kỹ thuật thực nghiệm chirp tần số laser [2] hiệu chỉnh Zeeman tần số dịch chuyển nguyên tử từ trường không đồng có cường độ thay đổi dọc theo phương truyền chùm nguyên tử Việc dùng kỹ thuật giúp giảm tốc chùm nguyên tử có vận tốc nhiệt ban đầu v0 với vtb = 0, độ dài giảm tốc [2]: v02 , l 2vr G vr = k/M vận tốc giật lùi, G tham số bão hoà định nghĩa [2] G (r ) 2 (r ) 2 dE (r ) I (r ) Ở vận tốc nhiệt V0 = 105 cm/s độ bão hoà IS trung bình G quãng đường giảm tốc nằm khoảng 10cm - 100cm Nhiệt độ ngang chùm nguyên tử điều kiện tối ưu giảm tới nhiệt độ 100 10mK thảo luận kỹ thuật thực nghiệm việc làm lạnh việc hấp thụ photon chùm ngun tử tìm thấy [2] 1.1.1.2 Làm lạnh Doppler không gian chiều Trong phần chúng tơi trình bày sơ đồ làm lạnh Doppler không gian chiều Phương pháp làm lạnh Doppler khơng gian chiều minh hoạ hình chùm nguyên tử hai mức hình sóng lan truyền giả thuyết chỉnh phía đỏ so với tần số dịch chuyển nguyên tử Khi sóng laser có phân cực tần số trường laser tổng cộng giảm tới sóng ánh sáng dừng E 2eE0 coskzcost Sóng dừng gây nguyên tử hai mức lực xạ F F 0 F 2ssin 2kz F 2ccos 2kz [2] đóng vai trị việc làm lạnh nguyên tử Hình 3: (a) Phương pháp làm lạnh chùm nguyên tử laser không gian chiều (b) Lực phụ thuộc vào vận tốc (c) Phân bố vận tốc thời điểm t2>t1>t0 Để ước tính hiệu suất laser khơng gian có quy mơ nhỏ lực xạ F F 0 F 2ssin 2kz F 2ccos 2kz xem xét hiệu ứng lực trung bình [2] F 0 k G( L L ) ta đặt F F0 Ngoài ta giới hạn trường hợp bão hoà G( L L ) yếu lực áp suất xạ trung bình có dạng [2]: 1 F F kG 2 2 ( kv ) ( kvz ) z (1.2) Khi chỉnh phía đỏ , lực áp suất xạ (1.2) định hướng đối diện với vận tốc nguyên tử nghĩa là lực ma sát Trong gần lực phụ thuộc tuyến tính với vận tốc (1.2) [2] : F Mv z , 8G r ( ) (1 ) (1.3), hệ số ma sát, r tần số dội lại giả thuyết tương tự theo biểu thức [2]: Dii 2 k 2 G 1 / 2 ii cos2 kz zi sin kz Hệ số khuyếch tán động lượng Dzz D xấp xỉ V = là: D 2k 2 G 2/ (1 zz) (1.4) Lực ma sát (1.3) hệ số khuyếch tán (1.4) xác định cách đầy đủ với vận tốc bão hoà nguyên tử lạnh Các phân bố tìm thấy nghiệm dừng phương trình Fokker-Planck [2]: w w 2 v (Fw) ( D ii w) t r p i x, y , z p i Và có dạng Gauss: w(v z ) v2 exp z2 u u (1.5) Nửa độ rộng u phân bố vận tốc trạng thái dừng xác định nhiệt độ T: 10 nhãn thuỷ tinh gắn với kim loại phía khác cịn tế bào MOT dì 25 cm đường kính ngồi 1,5 mm Pyrex dày 1,9 mm có cổ hướng xuống Một đầu gắn với giá thủy tinh - kim loại thu tập trung vào phía Bộ thu gồm dẫn dịng hai bù Rb (getter) Bộ dẫn gọi (pin) phần thuỷ tinh với (pin) cấy vào Các linh kiện có săn thị trường bù Rb điểm gắn vào pin Các bù Rb nguồn Rb điều khiển Một bù hộp chứa muối Rb nhỏ, giải phóng Rb có dịng trung bình A chạy qua thiết bị Các bù thấy [4] Cần phải đặc biệt lưu ý tới bù để đảm bảo chúng tạo Rb Trước hết vật liệu bù dễ hấp thụ nước giữ chúng buồng chân khơng có hút ẩm thổi khí khơ suốt q trình Thứ hai chúng giải phóng Rb theo hàm luỹ thừa nhiệt độ phải đảm bảo dẫn gắn vào tế bào bù khơng bị nóng lên đáng kể Bằng cách tránh ẩm nhiệt chúng tơi thường xun lắp đặt bù mà tạo Rb Trong hệ thống mà bật bù số nguyên tử MOT giảm Chế độ vận hành bật bù dòng 3,5A 10 phút để cung cấp cho tế bào MOT lượng Rb cần cho ngày sau cho phép 10 đến 20 phút để bơm khỏi hệ thống trước lấy liệu Một bù hệ thống dùng theo cách suốt thời gian hoạt động mà khơng có dấu hiệu việc giảm hiệu suất Rb Các bù mà bị bẩn chạy liên tục ngày với nhiệt độ thấp Người ta muốn có áp suất riêng phần Rb < 10-9 Torr áp suất riêng phần tất khí tinh khiết thấp Rb tối thiểu hai bậc chất Rb nên tốc độ bơm chậm Bởi dòng điều khiển bơm Iôn không đáng kể so với áp suất Rb tế bào MOT Áp suất Rb xác định cách nhìn vào hấp thụ chùm thông qua tế bào Nhưng áp suất hiểu đo cách tốt theo nghịch đảo thời gian sống nguyên tử bị bẫy, người ta muốn thời gian sống nguyên tử tế bào MOT vào khoảng 10s tế bào khoa học 100s 44 Cũng phải thảo luận phải chọn tế bào thuỷ tinh hình trụ thay cho tế bào có tiết diện ngang hình vng Một lí làm tế bào hình trụ dễ Ưu điểm quan trọng để dùng tế bào MOT hình trụ vân giao thoa chùm bị bẫy có tần số khơng gian cao phân bố quy luật so với tế bào hình vng Các vân có ảnh hưởng lên nguyên tử bẫy Ta dịch chuyển tế bào MOT khoảng 1cm thấy chuyển động đám mây MOT Việc lắp đặt MOT với tế bào hình vng khó việc đặt cực tiểu vân có cường độ rộng cách xa khỏi tâm bẫy việc quan trọng Việc lắp đặt đòi hỏi phải chỉnh thường xuyên, trình thử sai nhiều so với việc đơn giản chồng chập chùm góc xác định Đó tất yêu cầu tế bào hình trụ Tế bào hình trụ làm biến dạng chùm bẫy vấn đề lớn chúng tơi khơng quan tâm đến chùm bẫy đường kính xilanh lớn Ngược lại tế bào khoa học hình trụ lại khơng đuợc mong muốn chùm dị tập trung vào tế bào, đóng vai trị hai thấu kính hình trụ Đây vấn đề ảnh hấp thụ, vấn đề đối hình ảnh tương ứng pha Hình ảnh tương phản pha yêu cầu đặt vật liệu mặt phẳng Fuorier để nâng pha ánh sáng lên Ánh sáng có pha lớn tạo tế bào hình trụ địi hỏi việc dùng đường dịch chuyển pha điểm Bởi làm cho việc chỉnh khó khăn Có thể thay tế bào khoa học hình trụ tế bào hình vng có thị trường Bởi vân giao thoa sinh phản xạ thành không bao phủ tế bào khoa học khơng quan trọng chúng nằm xa mặt phẳng vật hệ ảnh 2.7 Ứng dụng bẫy Quang - Từ: 2.7.1 Phổ phân giải cao Với thành công làm lạnh bẫy nguyên tử laser, mục tiêu ban đầu sử lý cách có hiệu mở rộng Doppler giảm 45 cách đáng kể với vạch phổ phân biệt cách rõ ràng Vận tốc nguyên tử giảm đáng kể dịch chuyển Doppler giảm cách đáng kể Với chuyển đông chậm ngun tử ta có nhiều thời gian việc đo đạc đặc tính chúng với độ xác cao Khơng cấu trúc bên nguyên tử nghiên cứu kỹ lưỡng mà cịn phép đo thời gian thơng qua đồng hồ nguyên tử thực xác 2.7.2 Nghiên cứu suốt cảm ứng điện từ Tính chất quang học hệ nguyên tử thường mô tả thông qua độ cảm điện hàm tần số ánh sáng kích thích Trong trường hợp tổng quát đại lượng có dạng phức, gồm phần thực ’ (liên quan tới hệ số khúc xạ ) phần ảo ” (liên quan tới hệ số hấp thụ) Trong tượng thường gặp chùm sáng kích thích ngun tử cơng tua hấp thụ đạt cực đại tần số trung tâm dịch chuyển nguyên tử, đường cong tán sắc giảm qua điểm (tán sắc dị thường) Tuy nhiên, đưa thêm chùm sáng kích thích kết hợp lên hệ nguyên tử hệ số hấp thụ bị giảm xung quanh miền tần số cộng hưởng Sự giảm hệ số hấp thụ trường hợp kết giao thoa lượng tử biên độ kênh dịch chuyển nguyên tử tạo Hiện tượng gọi suốt cảm ứng điện từ nhóm Harris đề xuất vào năm 1989 [7] kiểm chứng thực nghiệm vào năm 1991 [8] Theo hệ thức Kramer-Kronig, thay đổi hệ số hấp thụ dẫn đến thay đổi hệ tán sắc thay đổi vận tốc nhóm ánh sáng lan truyền môi trường Điều khiển hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ ý nghiên cứu hai phương diện lý thuyết thực nghiệm hệ nguyên tử khác Trong nhiều nghiên cứu ý đến khía cạnh như: tạo chuyển mạch quang học [9], làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng [10], xử lý thông tin lượng tử [11], tăng hiệu suất trình quang phi tuyến [12], phổ phân giải cao 46 [13] 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 (được gọi chùm liên kết) chùm có cường độ yếu (gọi chùm dò) Tùy theo xếp kênh dịch chuyển trạng thái nguyên tử người ta chia thành ba loại cấu hình kích thích: hình thang, chữ V Hình 20 Hình 20 Các cấu hình kích thích hệ mức: (a)- hình thang, (b)- , (c) – V Sự hấp thụ tán sắc theo cấu hình kích thích nói nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm [8-9, 14-16] cho nguyên tử có mặt hiệu ứng Doppler trình va chạm Gần đời kỹ thuật làm lạnh nguyên tử laser [16] tạo môi trường nguyên tử có độ kết hợp cao Điều tạo thuận lợi cho quan sát hiệu ứng giao thoa lượng tử đặc biệt hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ hệ nguyên tử lạnh theo cấu hình kích thích khác Trong khn khổ luận văn xem xét cấu hình đơn giản dạng hình thang ba mức cho hệ nguyên tử lạnh 87Rb để nghiên cứu thay đổi công tua hấp thụ công tua khúc xạ theo độ lệch tần cường độ chùm laser liên kết 47 2.7.2.1 Mô tả lý thuyết Sơ đồ mức lượng ngun tử 87Rb theo cấu hình kích thích hình thang trình bày hình 21a Trong đó, ký hiệu trạng thái , tương ứng với mức 5S1/2(F = 2), 5P3/2 (F =3) 5D5/2 (F = 4) Ở đây, F ký hiệu số lượng tử mô men góc tồn phần ngun tử trạng thái khảo sát Giả thiết laser dò laser liên kết phát chế độ liên tục đơn mode Gọi p c tương ứng tần số laser dò laser liên kết, ta định nghĩa độ lệch tần laser tần số dịch chuyển nguyên tử c p theo hệ thức: c = c - 32, p = p - 21 (2.7) Theo học lượng tử, trạng thái lượng tử hệ nguyên tử kích thích kết hợp chùm laser dị laser liên kết mơ tả thơng qua ma trận mật độ ρ dạng phương trình Liouville: i H , t (2.8) Ở đây, đặc trưng cho cho q trình tích (do phân rã tự phát, va chạm ) nguyên tử; H Hamintonian toàn phần hệ nguyên tử trường ánh sáng Sử dụng gần lưỡng cực điện gần sóng quay biểu diễn tương tác, từ phương trình (2.8) ta rút phương trình cho phần từ ma trận mật độ ij sau: 21 ( 21 i p ) 21 i p ( 22 11 ) ic 31 , t (2.9a) 32 ( 32 i c ) 32 i c ( 33 22 ) i p 31 t (2.9b) 31 [ 31 i( p c )]31 i c 21 i p 32 , t 2 (2.9c) 11 22 33 , p 221E p (2.9d) , c 48 232 Ec (2.10) tương ứng tần số Rabi trường dò (Ep) trường liên kết (Ec), kl tốc độ phân rã từ mức k xuống mức l Ở điều kiện dừng, hệ phương trình đạo hàm riêng (2.9) trở thành hệ phương trình đại số Khi đó, phương trình (2.9c) viết thành 31 i p 32 ic 21 1 32 i( c p ) 32 i( c p ) (2.11a) Do biên độ trường dò Ep bé so với biên độ trường liên kết Ec đồng thời độ cư trú mức hai mức ba nhỏ so với độ cư trú mức nên số hạng thứ hai (2.11a) bé so với số hạng Vì 31 tính gần biểu thức: 31 ic 21 32 i( c p ) (2.11b) Sử dụng (2.11b) 22 - 11 vào phương trình (2.11a) ta rút được: 21 i ( p / 2)( 11 22 ) /4 21 i p 31 i( p c ) c i p / c2 / 21 i1 31 i ( p c ) (2.12) Sử dụng khái niệm độ cảm phức = ’ + i” liên hệ với véctơ phân cực ta thấy độ cảm tỷ lệ với phần tử ma trận 21 Khi đó, hệ số hấp thụ xác định theo ” (do xác định theo phần ảo 21) hệ số khúc xạ n xác định theo ’ ( xác định theo phần thực 21) Vì ta viết: ( p ) Im 21 ( p ) , (2.13a) n( p ) Re 21 ( p ) (2.13b) Các biểu thức (2.13a, b) (2.12) mô tả mối liên hệ công tua hấp thụ công tua khúc xạ vào tham số trường liên kết 2.7.2.2 Kết tính tốn lý thuyết Để khảo sát ảnh hưởng trường laser liên kết lên hệ số hấp thụ hệ số tán sắc chùm dị chúng tơi vẽ đồ thị biểu thức (2.13a,b), 21 xác định theo (2.12) Xét hai trường hợp sau: 49 a Trường hợp 1: Ảnh hưởng cường độ trường liên kết Trong trường hợp tần số chùm liên kết lựa chọn cộng hưởng với dịch chuyển 5P3/2(F =3) 5D5/2(F =4), nghĩa c = Vì giả thiết laser dị có cường độ yếu (thường cỡ W) cho khơng ảnh hưởng đến độ cư trú mức 5P3/2 (F =3), ta chọn p = 0.01 MHz Các tham số hệ nguyên tử 87 Rb chọn là: 21= MHz, 31 = 0.5 MHz Đồ thị công tua hấp thụ công tua tán sắc chùm dò theo tần số Rabi c độ lệch tần c vẽ hình 21 Từ hình vẽ khơng gian ba chiều ta thấy rằng, khơng có mặt trường liên kết (c = 0), công tua hấp thụ đạt cực đại tần số cộng hưởng p = c trường hợp thường gặp Tuy nhiên, có mặt trường liên kết (c > 0) định cực đại hấp thụ bị trũng xuống, nghĩa độ hấp thụ giảm Độ sâu độ rộng lỗ trũng công tua hấp thụ tăng tăng tần số Rabi c Điều minh họa rõ nét đồ thị chiều số giá trị cụ thể c hình 22 Hình 21: Sự phụ thuộc công tua hấp thụ (a) công tua tán sắc (b) chùm dò vào cường độ trường liên kết (c) độ lệch tần c = 50 Hình 22: Cơng tua hấp thụ (các hình phía trên) cơng tua tán sắc (các hình phía dưới) chùm dò giá trị c = 0, 2, MHz độ lệch tần c = Từ hình 22 ta nhận thấy rằng, độ lệch tần c = cực tiểu cửa sổ suốt công tua hấp thụ nằm vị trí cộng hưởng (ứng với p = 0) Với đường cong tán sắc, khơng có mặt trường liên kết đường tán sắc giảm theo tần số (tán sắc dị thường) xung quanh tần số cộng hưởng 12 (Hình 22a) Tuy nhiên có mặt trường liên kết tăng dần cường độ tần số cộng đường cong tán sắc bị thay đổi tạo thành miền tán sắc thường bên cạnh miền tán sắc dị thường (Hình 22b,c,d) Độ rộng miền thay đổi tính chất tán sắc phụ thuộc vào tần số Rabi trường liên kết b Trường hợp 2: Ảnh hưởng độ lệch tần Để mô tả ảnh hưởng độ lệch tần c vẽ công tua hấp thụ công tua tán sắc ứng với giá trị khác c giá trị cố định c = MHz Đồ thị cơng tua vẽ hình 23 (ứng với khơng gian chiều) hình 24 (ứng với khơng gian chiều) 51 Hình 23: Sự phụ thuộc công tua hấp thụ (a) công tua tán sắc (b) chùm dò vào độ lệch tần c tần số Rabi cố định c= MHz Từ hình 23 25 ta thấy rằng, độ lệch tần c = tâm cửa sổ suốt đường cong hấp thụ nằm tần số cộng hưởng dịch chuyển nguyên tử Khi c < có độ lớn tăng dần cửa sổ suốt đường hấp thụ bị dịch dần phía có tần số lớn, cịn c > cửa sổ bị dịch theo chiều ngược lại Chiều dịch chuyển giống chiều dịch chuyển đường cong tán sắc Hình 24: Cơng tua hấp thụ (các hình phía trên) cơng tua tán sắc (các hình phía dưới) chùm dị giá trị lệch tần c = -5, 0, +5 MHz tần số Rabi c = MHz 52 2.7.2.3 Sơ đồ thực nghiệm kiểm chứng Trong hình 26 trình bày sơ đồ thực nghiệm quan sát tượng suốt cảm ứng điện tự Hình 26: Sơ đồ thí nghiệm quan sát hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ Bằng cách sử dụng lý thuyết bán cổ điển, thay đổi công tua hấp thụ cơng tua tán sắc cấu hình kích thích hình thang mức hệ nguyên tử lạnh 87 Rb theo cường độ độ lệch tần trường laser liên kết nghiên cứu Ở điều kiện nhiệt độ thấp vậy, bỏ qua ảnh hưởng hiệu ứng Doppler hiệu ứng va chạm Trên sở mơ hình đề xuất, ta điều khiển hệ số hấp thụ chiết suất xung quanh miền tần số cộng hưởng cách thay đổi cường độ trường độ lệch tần chùm laser liên kết Khi cường độ trường liên kết tăng lên cửa sổ suốt sâu rộng hơn, đồng thời độ dốc đường tán sắc miền cửa sổ giảm xuống Đây đặc điểm quan trọng việc lựa chọn tính chất tán sắc cao tính chất chất hấp thụ thấp vào nghiên cứu ứng dụng 53 Kết luận Chương II Trong chương trình bày sơ đồ mức lượng nguyên tử Rb85, tổng quan hệ thống bẫy Quang Từ thiết kế cho nguyên tử Rb85 Trình bày sơ đồ chi tiết hệ thống bẫy như: hệ thống quang học, hệ thống từ trường, hệ thống laser hệ thống chân không với thông số kỹ thuật hệ thống Chúng tơi trình bày số ứng dụng bẫy Quang – Từ như: Phổ phân giải cao, khảo sát tượng suốt cảm ứng điện từ 54 KẾT LUẬN CHUNG Trong nội dung luận văn “ Bẫy quang từ cho nguyên tử Rb85 ”, chúng tơi tập trung tìm hiểu bẫy Quang Từ cho nguyên tử Rb85 Những kết thu tóm tắt sau: - Tổng quan ý tưởng làm lạnh nguyên tử laser Từ trình bày tổng quan phương pháp làm lạnh ngun tử laser mơ hình ngun tử hai mức là: ngun lý làm lạnh Doppler khơng gian chiều không gian ba chiều Đưa biểu thức lực xạ ánh trường ánh sáng tác dụng lên nguyên tử phương pháp giải tích tính tốn nhiệt độ tối thiểu đạt trình làm lạnh Doppler - Trình bày nguyên lý làm lạnh giới hạn Doppler Trong ý đến ảnh hưởng từ trường bên lên thay đổi gradient phân cực ánh sáng áp dụng vào việc làm lạnh nguyên tử Từ giải thích làm lạnh nguyên tử lại đạt nhiệt độ thấp nhiệt độ giới hạn Doppler TD - Trình bày nguyên tắc hoạt động bẫy quang từ Bằng lý thuyết đưa biểu thức lực xạ vùng trung tâm bây - Trình bày tổng quan sơ đồ mức lượng nguyên tử Rb85, tách mức tinh tế siêu tinh tế mức lượng nguyên tử Rb 85 để lựa chọn dịch chuyển làm lạnh bẫy nguyên tử Rb85 laser - Chúng tơi tìm hiểu thiết kế bẫy quang từ cho nguyên tử Rb 85 sơ đồ chi tiết với thông số kỹ thuật hệ thống bẫy như: + Hệ thống lắp đặt quang học: với sơ đồ chi tiết vị trí lắp đặt thiết bị quang học phần tư bước sóng, phần hai bước sóng, tách chùm tia phân cực, gương phẳng + Hệ thống tạo từ trường với tính tốn chi tiết để lắp đặt cuộn dây tạo tư trường Với thông số cuôn dây cách lắp đặt cho hoạt động cuộn dây cho ta từ trường thích hợp 55 + Hệ thống laser với thông số laser dùng để bẫy làm lạnh Hệ thống ổn định điều khiển tân số laser + Hệ thống bơm chân không với sơ đồ lắp đặt loại bơm dùng để tạo mơi trường có độ chân khơng cao buồng bẫy - Trình bày ứng dụng bẫy quang từ như: phổ phân giải cao, khảo sát hiệu ứng suốt cảm ứng điện từ lý thuyết xây dựng phương án để khảo sát thực nghiệm tượng suốt tự cảm điện từ cho ngun tử Rb 56 CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [1] Đinh Xuân Khoa, Lê Cảnh Trung, “Sự suốt cảm ứng điện từ mơ hình mức hình thang ngun tử 85Rb”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Số 3, 10/2009, trang 66-70 [2] Đinh Thị Phương, Lê Cảnh Trung, Đinh Xuân Khoa, Nguyễn Huy Bằng, “Điều khiển hấp thụ tán sắc hệ nguyên tử 87Rb kích thích ánh sáng kết hợp”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, Số 3, 10/2009, trang 76-80 57 Tài liệu tham khảo [1] Peter van der Straten, Harold J.Metcalf, Laser cooling and trapping, Springer 1999 [2] V.I Balykin, V.G Minogin V.S Letokhov, Electromagnetic trapping of cold atoms, Rep Prog Phys 63 (2000) 1429–1510 [3] Krzysztof Kowalski, Emiliya Dimova-Arnaudova, Krzysztof Fronc, Sanka Gateva, Malgorzata Glódz, Ludwik Lis, Lyubomir Petrov, Jerzy Szonert, A system for magnetooptical cooling and trapping of Rb atoms, Optica Applicata, Vol XXXVI, No 4, 2006 [4] William D Phillips, Laser cooling and trapping of neutral atoms, Rev Mod Phys.70 (1997) 721 [5] Jerzy Zachorowski, Tadeusz Pałasz, and Wojciech Gawlik, Magneto-Optical Trap for Rubidium Atoms, Optica Applicata Vol XXVIII, No 3, (1998) 239 [6] H J Lewandowski, D M Harber, D L Whitaker, and E A Cornell, Simplified System for Creating a Bose-Einstein Condensate (Private communication) [7] S.E Harris, J.E Field, A Imamoglu, Phys Rev Lett 64 (1990) 1107 [8] K.J Boller, A Imamoglu, S.E Harris, Phys Rev Lett 66 (1991) 2593 [9] B.S.Ham, J Mod Opt 49 (2002) 2477 [10] L.V Hau, S E Harris, Z, Dutton, C.H Bejroozi, Nature 397 (1999) 594 [11] M.D Eisaman, A Andre, F Massou, M Fleischhauer, A.S Zibrov, M.D Lukin, Nature 438 (2005) 837 [12] D.A Braje, V Balic, S Goda, G.Y Yin, S.E Harris, Phys.Rev Lett 93 (2004) 183601 [13] H Lee, M Fleischhauer, M.O Scully, Phys Rev A58 (1998) 2587 [14] Yong-qing Li and Min Xiao, Phys Rev A51 (1995) R2703-2706 [15] J Gea-Banacloche, Yong-quing Li, Shao-zheng Jin, and Min Xiao, Phys Rev A51 (1995) 576 [16] Cohen Tannoudji: Manipulating atoms with photons, Nobel lecture in Physics, 1997 58 ... tắc hoạt động bẫy Quang - Từ Chương II: Bẫy Quang - Từ cho nguyên tử Rb85 Trong chương chúng tơi trình bày tổng quan sơ đồ mức lượng Rb85, sơ đồ lắp đặt bẫy quang – từ cho nguyên tử Rb85 Trong chúng... trăm micro Kelvin Để giữ nguyên tử làm lạnh loại bẫy khác đề xuất sử dụng bẫy quang học, bẫy từ, bẫy quang trọng trường bẫy quang từ Trong ba loại bẫy sử dụng cho hệ nguyên tử có vận tốc đủ bé (tương... nguyên tử kiềm 2 gần 1K Áp lực xung quanh MOT giới hạn thời gian sống số lượng tối đa nguyên tử trạng thái ổn định a) b) Hình 10: Bẫy Quang - Từ a) Bẫy quang từ không gian chiều b) Bẫy quang
Ngày đăng: 16/10/2021, 22:26
Xem thêm: