2.3.2. Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc bão hòa
Sơ đồ quan sát phổ hấp thụ bão hịa được mơ tả như trong Hình 2.35. Chùm laser truyền tới bản tách chùm BS1 để tách thành hai chùm với tỷ lệ 10/90. Thành phần phản xạ trên BS1 sau khi phản xạ trên bản tách chùm BS2, tới gương M1 qua buồng mẫu đóng vai trị là chùm dị và đi tới PD1 để thu tín hiệu. Chùm truyền qua BS1, một phần phản xạ trên bản tách chùm BS2 (10/90) và đi tới giao thoa kế Fabry-Pérot dùng để định cỡ tín hiệu phổ. Thành phần cịn lại sau khi phản xạ trên các gương M4, M6, M5 và quay ngược trở lại buồng mẫu đóng vai trị là chùm laser bơm. Cường độ chùm laser bơm có thể thay đổi được bằng bộ lọc trung hịa ND2.
Hình 2.35 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hịa.
Hình 2.36 Sơ đồ quang học quan sát phổ tán sắc bão hòa.
Sơ đồ quan sát phổ tán sắc bão hịa được mơ tả như Hình 2.36. Đường truyền của tia sáng tương tự như trong quá trình quan sát phổ hấp thụ, nhưng
trong trường hợp này, khóa S1 mở để chùm tia truyền qua BS3 tới gương M2 và trở về BS4, giao thoa với chùm dị. Khi đó giao thoa kế Mach-Zehnder hoạt động và cho phép đo phổ tán sắc của mơi trường khi có hiện tượng hấp thụ bão hịa.
2.3.3. Sơ đồ quang học quan sát EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều
2.3.3.1. Sơ đồ quang học khóa tần số laser bơm
Hình 2.37 Sơ đồ quang học khóa tần số laser bơm.
Đối với sự quan sát phổ EIT, trước hết chúng ta cần sử dụng kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa để xác định tần số của laser và khóa tần số laser tại một vị trí mong muốn trên đường dịch chuyển D2 của nguyên tử Rubi. Sơ đồ nguyên lý cho việc khóa tần số laser DL2 như trên Hình 2.37. Ở đây, chùm laser phát ra từ DL2 sau khi tới bản tách chùm BS5 sẽ tách thành hai thành phần. Thành phần thứ nhất tuyền qua buồng mẫu (khí ngun tử Rubi) đóng vai trị là chùm laser bơm. Thành phần thứ hai sau khi phản xạ trên BS5 tới BS6, tại đây một phần chùm tia sau khi phản xạ truyền qua bộ lọc trung hòa ND3 được giảm bớt
một phần cường độ nhằm mục đích bảo vệ giao thoa kế Fabry-Pérot và đi tới Photodetector PD1 thu được tín hiệu giao thoa, dùng để đối chiếu và định cỡ phổ thu được. Thành phần truyền qua BS6 sau khi qua bộ lọc trung hòa ND3,
cường độ của chùm laser được điều chỉnh giảm xuống dưới 2 mW/cm2 đóng
vai trị là chùm laser dò truyền qua buồng mẫu nguyên tử, quay trở lại phản xạ trên BS5 và tới Photodetector PD2. Cả hai tín hiệu thu được trên các Photodetector PD1 và PD2 đều được gửi đến dao động ký điện tử và hiển thị trên màn hình.
Hình 2.38 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa của nguyên tử Rubi ở dịch chuyển D2.
Điều chỉnh giải tần số của laser DL2 sao cho, tín hiệu phổ thu được trên màn hình ứng với tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa của ngun tử Rubi ở dịch chuyển D2 (Hình 2.38). Tiếp theo, điều chỉnh miền quét tần số bằng cách giảm miền tần số quét của laser đến dịch chuyển cộng hưởng mong muốn (Hình 2.39). Tiến hành thao tác giảm miền tần số và điều chỉnh để tần số laser đến một dịch chuyển cộng hưởng, khóa tần số laser tại tần số này. Trong sơ đồ này, các gương
được bố trí sao cho góc lệch giữa chùm bơm và chùm dị nằm trong khoảng từ
1o đến 3o để tránh sự phản hồi ngược và thu được tín hiệu phổ sắc nét nhất.
Hình 2.39 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa khi khóa miền dịch chuyển ứng với F = 3
F = 3 trong q trình khóa tần số theo thứ tự (1) – (6).
2.3.3.2. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều được biểu diễn như trong Hình 2.40. Chùm laser phát ra từ DL1 tới phản xạ trên BS1 đi vào giao thoa kế Mach – Zehnder và tới đầu thu PD1 cho tín hiệu phổ hấp thụ (khi đóng BB1), cho tín hiệu phổ tán sắc (khi mở BB1). Chùm truyền qua BS1 tới BS2, chùm phản xạ trên BS2 truyền tới giao thoa kế Fabry-Pérot dùng để lấy tín hiệu định cỡ phổ. Chùm laser phát ra từ DL2 sau khi phản xạ trên gương M3, qua kính phân cực P3 (dùng để chỉnh cường độ, hướng phân cực) truyền qua BS5, đến buồng mẫu đóng vai trị là chùm laser bơm ngược chiều với chùm laser dị.
Hình 2.40 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình chùm dị và chùm bơm
ngược chiều.
2.3.4. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị cùng chiều
Hình 2.41 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình chùm dị và chùm bơm
Tương tự như đối với trường hợp quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều. Đầu tiên chúng ta cần sử dụng kỹ thuật phổ hấp thụ bão hịa để khóa tần số laser bơm và miền tần số quét của laser dò. Tiếp theo, sử dụng sơ đồ quang học như Hình 2.41 để quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị cùng chiều. Laser phát ra từ DL2 sau khi phản xạ gương trên M3 và BS5 truyền tới gương M5, chùm tia truyền đến M1 và đi vào buồng mẫu đóng vai trị chùm bơm trong trường hợp chùm Laser bơm cùng chiều với laser dò.
2.3.5. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT hai chùm bơm ngược chiều
Hình 2.42 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình có đồng thời cả hai
chùm bơm cùng chiều và ngược chiều.
Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình có hai chùm bơm ngược chiều qua buồng mẫu được mô tả như trong Hình 2.42. Chùm laser DL1 tới phản xạ trên BS1 đi vào hệ giao thoa kế Mach – Zehnder, sau đó được thu bằng
PD1 cho tín hiệu phổ hấp thụ (khi đóng BB1) và phổ tán sắc (khi mở BB1). Chùm truyền qua BS1, tới BS2 và phản xạ một phần truyền tới giao thoa kế Fabry-Pérot được thu bằng PD2 dùng để lấy tín hiệu định cỡ phổ.
Laser phát ra từ DL2 sau khi tới gương M3, phản xạ trên BS5 truyền tới gương M5, phản xạ đến M1 và đi vào buồng mẫu đóng vai trị chùm bơm cùng chiều với laser dò. Thành phần truyền qua BS5 trực tiếp tới BS4 và đi vào buồng mẫu đóng vai trị là chùm bơm ngược chiều với chùm dò.
2.3.6. Sơ đồ quang học quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino
Hình 2.43 Sơ đồ quang học của hệ quan sát hiệu ửng Macaluso-Corbino.
Sơ đồ nguyên lý cho việc quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino được mơ tả như trên Hình 2.43. Hệ chỉ sử dụng một laser DL1 và hai buồng mẫu, buồng mẫu 1 (Rb1) dùng để quan sát tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa từ đó xác định miền tần số quét của laser. Buồng mẫu 2 (Rb2) dùng để quan sát hiệu ứng
Macaluso-Corbino. Xung quanh buồng mẫu 2 có gắn thêm cuộn Helmholt có
chức năng tạo ra từ trường cùng chiều với chùm laser dị. Kính phân cực P1
đóng vai trị định hướng phương phân cực của chùm laser dò qua buồng mẫu 2, cịn kính phân cực P2 đóng vai trị khảo sát sự quay mặt phẳng phân cực của chùm laser truyền qua mơi trường khi có từ trường ngồi.
Kết luận chương II
Trên cơ sở phân tích các ưu, nhược điểm của các hệ thí nghiệm đo phổ nguyên tử hiện nay, chúng tôi đã thiết kế và xây dựng thành cơng một hệ thí nghiệm đo phổ phân giải cao đa năng có tính ổn định và độ nhạy cao. Hệ thí nghiệm được bố trí trên mặt bàn quang học có kích thước nhỏ gọn 45 cm 60 cm, các linh kiện quang học dễ dàng di chuyển (tháo lắp) để thực hiện các phép đo phổ khác nhau. Cấu trúc chung của hệ thí nghiệm gồm 3 bộ phận chính: bộ phận quang học, bộ phận điều khiển và bộ phận hiển thị. Với bố cục như vậy, chúng tôi đã thiết kế sơ đồ ngun lý chung của hệ thí nghiệm sao cho, có thể dễ dàng thực hiện được nhiều phép đo phổ mà khơng phải thiết kế lại hệ thí nghiệm. Để tiến hành các phép đo phổ, chúng tôi đã thiết kế các sơ đồ nguyên lý của một số phép đo phổ như sau:
+ Kỹ thuật đo phổ hấp thụ sử dụng một chùm laser quét qua miền dịch chuyển cộng hưởng của nguyên tử.
+ Kỹ thuật đo phổ tán sắc sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder.
+ Kỹ thuật đo phổ hấp thụ bão hòa sử dụng một laser tách thành hai chùm truyền ngược chiều nhau qua buồng mẫu, chùm dị có cường độ yếu, chùm bơm có cường độ mạnh.
+ Kỹ thuật đo phổ tán sắc khi có hấp thụ bão hịa sử dụng kỹ thuật đo phổ tán sắc, kết hợp với kỹ thuật đo phổ hấp thụ bão hòa.
+ Kỹ thuật đo phổ bơm chọn lọc vận tốc sử dụng một laser dò cường độ yếu, tần số laser khóa tại dịch chuyển cộng hưởng và một chùm laser bơm cường độ mạnh, tần số quét quanh miền dịch chuyển cộng hưởng.
+ Kỹ thuật đo phổ EIT sử dụng một laser dò cường độ yếu, tần số quét quanh miền dịch chuyển cộng hưởng và một chùm laser bơm cường độ mạnh, tần số laser bơm khóa tại dịch chuyển cộng hưởng.
+ Kỹ thuật đo phổ tán sắc khi có hiệu ứng EIT sử dụng kỹ thuật đo phổ tán sắc kết hợp với kỹ thuật đo phổ EIT.
+ Kỹ thuật đo sự định hướng phân cực của chùm laser dưới tác dụng của từ trường ngoài (hiệu ứng Macaluso - Corbino). Hệ sử dụng một chùm laser dò truyền qua buồng mẫu nguyên tử nằm trong mơi trường có véctơ cảm ứng từ cùng phương truyền với chùm laser dò.
Các bước tiến hành đo phổ và các kết quả quan sát phổ trên hệ thí nghiệm này sẽ được chúng tơi trình bày trong chương III của luận án.
Chương III
NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA KHÍ NGUN TỬ
Chương này trình bày các nghiên cứu tính chất quang của ngun tử Rb thơng qua khảo sát hệ số hấp thụ, tán sắc, định hướng phân cực của chùm sáng khi truyền qua môi trường. Ở đây, chúng tơi trình bày chi tiết các quy trình đo, phân tích các kết quả thực nghiệm và, mơ hình lý thuyết giải thích các kết quả thực nghiệm. Đồng thời, chúng tôi khảo sát về chiết suất âm, chuyển mạch quang để phát triển các nghiên cứu ứng dụng của hệ đã xây dựng.
3.1. Khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc 3.1.1. Quy trình đo phổ 3.1.1. Quy trình đo phổ
Sơ đồ quang học dùng để khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc được mơ tả trong Hình 2.33 và Hình 2.34. Khi thực hiện đo phổ hấp thụ và phổ tán sắc của môi trường nguyên tử Rubi, chúng tôi sử dụng hệ laser DL1 của hãng TeachSpin. Do tần số phát laser phụ thuộc vào sự ổn định của các tham số của nguồn nuôi nên nguồn laser phải được khởi động tối thiểu 30 phút trước khi tiến hành các thao tác tiếp theo.
Bước 1: Khởi động nguồn laser, tăng cường độ dòng điện cho đầu phát
laser lên 2.4 mA (ngưỡng phát laser điốt của hãng Teachspin), quan sát chùm laser bằng CCD camera, nếu quan sát thấy tín hiệu laser thay đổi sáng-tối theo quy luật thể hiện laser đã phát. Trong trường hợp thấy cường độ chùm laser không thay đổi, tức là buồng cộng hưởng laser chưa thỏa mãn điều kiện cộng hưởng để phát laser, thì chúng ta cần điều chỉnh góc quay của gương nhiễu xạ,
tìm vị trí để có tín hiệu phát cực đại (đối với hệ laser chúng tơi đã lắp ráp ổn định, thơng thường q trình này khơng cần phải thực hiện lại).
Bước 2: Tăng cường độ dòng điện cấp cho đầu phát laser DL1 lên cỡ
5.26 mA, khi này bước sóng của laser sẽ thay đổi đến khoảng 780.24 nm, dùng camera CCD thu phổ phát xạ huỳnh quang của nguyên tử Rubi. Điều chỉnh tần số của laser DL1 sao cho tín hiệu hiển thị trên màn hình CCD là một đường sáng nhấp nháy liên tục.
Bước 3: Khi đã quan sát thấy xuất hiện phổ huỳnh quang của nguyên tử
Rubi ứng với bước sóng 780.24 nm, chúng ta điều chỉnh chùm laser đi vào giao thoa kế Fabry-Pérot sao cho tín hiệu phổ thu được xuất hiện vân giao thoa có tín hiệu lớn nhất. Điều chỉnh miền qt tần số của laser đến giá trị khoảng 10 GHz.
Bước 4: Điều chỉnh các nhánh của giao thoa kế MZI sao cho chùm tia
của hai nhánh giao thoa sau khi đi ra BS4 trùng khít lên nhau, để hiệu quang trình nhỏ hơn 0.5 cm, như đã lập luận đưa ra trong mục 1.1.
Bước 5: Điều chỉnh cường độ của chùm laser. Đối với chùm laser dò,
cường độ phải nhỏ hơn cường độ bão hòa Isat = 2 mW/cm2, trong thiết lập này
cường độ chùm laser dị ln được điều chỉnh nhỏ hơn 0.1 mW/cm2 với mục
đích tránh hiệu ứng tự hội tụ của chùm tia.
Bước 6: Kết nối Photodetector với dao động ký điện tử. Trong hệ thí
nghiệm này Photodetector được để ở chế độ có trở kháng nằm trong khoảng từ 100 K đến 1 M tùy vào cường độ tín hiệu chùm laser dị.
3.1.2. Phổ hấp thụ và tán sắc
Tiến hành thực hiện các bước thao tác như trên mục 3.1.1 chúng tơi thu được hình ảnh phổ hấp thụ (a) và phổ tán sắc (b) của nguyên tử Rubi như Hình 3.1.
Hình 3.1 Phổ hấp thụ (a) và phổ tán sắc (b) của nguyên tử Rubi.
Hình 3.1a là kết quả của phép đo phổ hấp thụ của nguyên tử Rubi ứng
52S1/2(F = 3) 52P3/2(F = 2, 3, 4) của nguyên tử 87Rb tại nhiệt độ T = 300 K. Tín hiệu của giao thoa kế Fabry-Pérot với khoảng phổ tự do 380 MHz. Kết quả
phép đo cho thấy độ rộng Doppler của nguyên tử 85Rb là 609 1 MHz và độ
rộng Doppler của nguyên tử của 87Rb là 617 1 MHz. So với dịch chuyển
Doppler của vạch siêu tinh tế ứng với tần số trung tâm f0 = 384.230 THz, sử
dụng biểu thức tính độ rộng Doppler 2. 0 2 B 2ln 2 D k T f mc , ta thu được độ rộng
Doppler của vạch hấp thụ đối với các đồng vị 85Rb và 87Rb lần lượt là 517 MHz
và 511 MHz. Sự khác nhau giữa kết quả đo và giá trị tính tốn là do sự tách
giữa các mức siêu tinh tế ở trạng thái 52P3/2(F = 2, 3, 4) của nguyên tử 85Rb là
184 MHz và ở trạng thái 52P3/2(F = 1, 2, 3) của nguyên tử 87Rb là 432 MHz.
Khi xét đến sự tách của các mức siêu tinh tế ở trạng thái kích thích, chúng ta
thu được độ rộng Doppler của các đồng vị 85Rb và 87Rb lần lượt là 601 MHz và
608 MHz (xem phục lục A), điều này cho thấy rằng kết quả quan sát được phù hợp với tính tốn lý thuyết.
Hình 3.1b là kết quả phép đo phổ tán sắc của nguyên tử 85Rb (ứng với
dịch chuyển F = 3 F = 2, 3, 4) và của nguyên tử 87Rb (ứng với dịch chuyển
F = 2 F = 1, 2, 3) tại nhiệt độ T = 300 K. Chúng ta thấy xung quanh đỉnh phổ hấp thụ xuất hiện một miền tán sắc dị thường, độ dốc miền tán sắc dị thường
của nguyên tử 85Rb lớn hơn độ dốc miền tán sắc dị thường của nguyên tử 87Rb
do cường độ vạch phổ nguyên tử của nguyên tử 85Rb lớn hơn cường độ vạch
phổ nguyên tử của nguyên tử 87Rb.
Như vậy, hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc của môi trường phụ thuộc vào tần số của chùm laser dò. Khi tần số của laser dò trùng với tần số dịch chuyển của nguyên tử, hệ số hấp thụ của mơi trường tăng, cịn ở xa tần số dịch chuyển, hệ số hấp thụ giảm. Theo đó, xung quanh tần số của các dịch chuyển cộng
hưởng xuất hiện các miền tán sắc dị thường. Các kết quả này phù hợp với mơ hình lý thuyết của nhà bác học Lorentz.
3.2. Khảo sát phổ hấp thụ bão hoà và tán sắc bão hồ 3.2.1. Quy trình đo phổ 3.2.1. Quy trình đo phổ
Sơ đồ quang học dùng để khảo sát phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc bão hịa được mơ tả trong Hình 2.35 và Hình 2.36. Ở đây, gương M5 được sử dụng