intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Luận án Tiến sĩ Vật lí: Nghiên cứu sự lan truyền xung và chuyển mạch toàn quang trong môi trường trong suốt cảm ứng điện từ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:131

6
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu sự lan truyền xung và chuyển mạch toàn quang trong môi trường trong suốt cảm ứng điện từ" nhằm nghiên cứu điều khiển quá trình lan truyền xung và AOS thông qua các tham số của hệ trong mô hình ba mức lambda ngoài ra khảo sát thêm yếu tố từ trường ngoài trong mô hình 5 mức lambda + bậc thang. Từ đó, tìm điều kiện tối ưu cho AOS đơn kênh và đa kênh.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lí: Nghiên cứu sự lan truyền xung và chuyển mạch toàn quang trong môi trường trong suốt cảm ứng điện từ

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----⁂----- NGUYỄN THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2024
  2. ii    BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH -----⁂----- NGUYỄN THỊ THU HIỀN NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 9 44 01 10 Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS. Nguyễn Huy Bằng 2. TS. Hoàng Minh Đồng NGHỆ AN, 2024  
  3. i    LỜI CAM ĐOAN     Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của  riêng tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Nguyễn Huy Bằng và  TS.  Hoàng Minh  Đồng. Các kết quả trong luận  án  là  trung  thực  và được  công bố  trên các tạp chí khoa học trong nước và quốc tế.                                                                                                  Tác giả luận án                                                                                           Nguyễn Thị Thu Hiền  
  4. ii    LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Nguyễn Huy Bằng  và  TS.  Hoàng  Minh  Đồng. Tôi  xin được  bày  tỏ  lòng  biết  ơn  chân thành  nhất  đến  GS.TS Nguyễn Huy Bằng, người đã tin tưởng giới thiệu cho tôi lĩnh vực nghiên cứu  mà Thầy đang thực hiện và làm chỗ dựa vững chắc về mặt khoa học cũng như tạo  điều kiện để tôi được an tâm thực hiện đề tài nghiên cứu nhờ vậy mà tôi có được cơ  hội để tận hưởng những trải nghiệm trong nghiên cứu vật lý đúng nghĩa. Bên cạnh  đó, TS. Hoàng Minh Đồng là người luôn tận tình chỉ dẫn từng bước trên con đường  nghiên cứu khoa học. Những ý tưởng và định hướng của Thầy đã giúp tôi làm việc  đúng  hướng  và  có  hiệu  quả  cao.  Nhờ  có  tập  thể  giáo  viên  hướng  dẫn  đã  giúp  tôi  nâng cao kiến thức khoa học, tác phong nghiên cứu cũng như tinh thần làm việc có  trách nhiệm của mình.  Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa vật lý, thầy giáo  GS.TS.NGND.  Đinh  Xuân  Khoa,  PGS.TS.  Lê  Văn  Đoài  cùng  quý  thầy,  cô  giáo  trong  chuyên  ngành  Quang  học  Trường  Đại  học  Vinh  về  những  ý  kiến  đóng  góp  khoa học bổ ích cho nội dung luận án, tạo điều kiện tốt nhất trong thời gian tôi học  tập và thực hiện nghiên cứu.  Tôi  xin  chân  thành  cảm  ơn  Ban  Giám  Hiệu,  chủ  nhiệm  khoa  Khoa  học  Ứng dụng Trường Đại học Công Thương TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và tạo mọi  điều kiện thuận lợi cho việc học tập và nghiên cứu của tôi trong những năm qua.  Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, những người thân và  bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ để tôi hoàn thành bản luận án này.  Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án  
  5. iii    DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN  Từ viết tắt Nghĩa AOS  All-Optical Switching - Chuyển mạch toàn quang.   CW  Continuous Wave - sóng liên tục.  EIA  Electromagnetically Induced Absorption – Sự hấp thụ cảm ứng điện từ.  EIT  Electromagnetically Induced Transparency – Sự trong suốt cảm ứng điện từ.  OB  Optical bistability  –  Lưỡng ổn định quang.  OM  Optical Multistability  – Đa ổn định quang.  OS  Optical Switching –  Chuyển mạch quang.  RF  Radio Frequency –  Tần số vô tuyến.  SGC  Spontaneously Generated Coherence – Độ kết hợp phát xạ tự phát.  TOC  Transfer of coherence  –  Chuyển dời độ kết hợp.  TOP  Transfer of population  –  Chuyển dời độ cư trú.  TSI  Time slot interchange – Chuyển mạch đổi chỗ các khe thời gian.  TST  Time - Space - Time  –  Chuyển mạch thời gian - không gian - thời gian.   
  6. iv    DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị (SI) Nghĩa c m/s  Vận tốc ánh sáng trong chân không  µnm C.m  Momen lưỡng cực điện của dịch chuyển  n  m    Ec V/m  Cường độ điện trường của chùm laser điều khiển  Ep V/m  Cường độ điện trường của chùm laser dò  Hint J  Hamilton tương tác toàn phần giữa hệ nguyên tử  và trường ánh sáng  N nguyên tử/m3  Mật độ nguyên tử  P C/m2  Độ lớn vector phân cực điện (vĩ mô)  0 H/m  Độ từ thẩm của chân không  0 F/m  Độ điện thẩm của chân không   F/m  Độ điện thẩm của môi trường  nm Hz  Tần số góc của dịch chuyển nguyên tử  c Hz  Tần số góc của chùm laser điều khiển  p Hz  Tần số góc của chùm laser dò   Hz  Tốc độ phân rã  ij không thứ nguyên  Phần tử ma trận mật độ    
  7. v    c Hz  Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiển  p Hz  Tần số Rabi gây bởi trường laser dò  B  T  Từ trường ngoài  c Hz  Độ lệch giữa tần số của laser điều khiển với tần  số dịch chuyển nguyên tử  p Hz  Độ lệch giữa tần số của laser dò với tần số dịch  chuyển nguyên tử   
  8. vi    DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Nội dung 1.1.  Hệ nguyên tử ba mức cấu hình Λ được kích thích bởi trường dò (có tần số  góc ωp  và tần số Rabi là Ωp) và trường điều khiển (có tần số góc ωc và tần  số Rabi là Ωc).  1.2.  Sơ đồ mức năng lượng trong cấu trúc tinh tế và siêu tinh tế ứng với dịch  chuyển D1 của nguyên tử 87Rb.  1.3.  Hiệu ứng Zeeman thường. Tách các trạng thái suy biến ở mức nguyên tử  với F  =  2  khi có  từ trường  (a).  Định  nghĩa  các quan  sát  dọc  và  quan  sát  sang ngang theo trục z (b).  1.4.  Hiệu ứng Zeeman chuẩn cho dịch chuyển P - D. Từ trường tách các mức  suy  biến  mF   bằng  nhau  (a).  Vạch  quang  phổ  tách  thành  bộ  ba  vạch  khi  được quan sát ngang với từ trường (b).    1.5.  Tuế sai chậm của  J  về   B  trong hiệu ứng Zeeman dị thường (a). Xác định  các góc chiếu θ1 và θ2 được sử dụng trong tính toán hệ số Lande g (b).  1.6  Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức năng lượng theo cấu hình:   lambda (a), bậc thang (b), chữ V (c).  1.7  Các nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản |1  tới trạng thái kích thích |2: kích  thích trực tiếp |1  |2 (a); kích thích gián tiếp |3  |2  |1  |2 (b).  1.8  Đồ thị biểu diễn hệ số hấp thụ (đường liền nét) và tán sắc (đường đứt nét)  khi có hiệu ứng EIT.  1.9  Momen lưỡng cực của các trường đặt vào hệ nguyên tử ba mức Λ.   
  9. vii    1.10  Một máy quét quang học như một công tắc (1 x N) (a). Công tắc chuyển  mạch (1 x 1) (b). Công tắc chuyển mạch (2 x 2) (c).  1.11  Thời gian chuyển mạch quang của các tác nhân khác nhau.  1.12  Chuyển mạch điện quang.  1.13  Các thuộc tính của chùm tia quang có thể được sử dụng để biến điệu, ghép  kênh, định tuyến và chuyển mạch.  1.14  Chuyển mạch của một hệ chùm tia quang đi vào M cổng đầu vào để đi ra  một hoặc một vài trong số N cổng đầu ra.  1.15  Chuyển mạch (1 x 1), đây là công tắc bật - tắt (a); chuyển mạch (1 x 2) (b).  chuyển mạch (2 x 2) gồm hai cấu hình: trạng thái ngang và trạng thái chéo  (c); chuyển mạch (1 x N) (d); chuyển mạch (N x N) kết nối N đầu ra (e).  1.16  Chuyển mạch không gian (a). Chuyển mạch thời gian (b).  1.17  Chuyển mạch Thời gian-Không gian-Thời gian.  2.1  Mô hình biểu diễn hàm truyền và cơ chế phản hồi ngược.  2.2  Mối  quan  hệ  đầu  ra  so  với  đầu  vào  của  thiết  bị.  Đường  đứt  nét  thể  hiện  trạng thái không ổn định.  2.3  Hệ lưỡng ổn  định quang hoạt động như một công tắc chuyển mạch hoặc  "cầu bập bênh".  2.4  Hệ lưỡng ổn định quang tán sắc (a). Hệ lưỡng ổn định quang hấp thụ (b).  2.5  Hệ nguyên tử hai mức suy biến cấu hình lambda (a); hệ nguyên tử hai mức  suy biến cấu hình chữ V (b).   
  10. viii    2.6  Buồng cộng hưởng vòng dán tiếp chứa mẫu nguyên tử có chiều dài L.  2.7  Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của trường điều  khiển trong cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 200,  B = 2γc.  2.8  Đồ  thị  cường  độ  vào  -  ra  của  OB  tại  các  giá  trị  khác  nhau  của  trường  điều  khiển trong cấu hình chữ V. Các tham số được chọn Δc = Δp  = 0, C = 150,  B = 3.5γc.  2.9  Đồ  thị  cường  độ  vào  -  ra  của  OB  tại  các  giá  trị  khác  nhau  của  tham  số  C  trong cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, B = 2γc.  2.10  Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của tham số C  trong cấu hình chữ V. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, B = 3.5γc.  2.11  Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của từ trường trong  cấu hình lambda. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 200 (a). Đồ thị phụ  thuộc của hệ số hấp thụ vào độ lớn từ trường B trong cấu hình lambda (b).  2.12  Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của từ trường trong  cấu hình chữ V. Các tham số được chọn Δc = Δp = 0, C = 150 (a). Đồ thị phụ  thuộc của hệ số hấp thụ vào độ lớn từ trường B trong cấu hình chữ V (b).  2.13  Đồ thị cường độ vào - ra của OB tại các giá trị khác nhau của từ trường B  khi pha tương đối cố định tại ϕ = π/6 trong cấu hình lambda. Các tham số  được chọn Δc = Δp = 0, C = 200.  2.14  Sơ đồ nguyên tử năm  mức cấu hình  Λ+Ξ khi có từ trường tĩnh tác động  (a). Mức năng lượng liên quan của các nguyên tử  87Rb với các trạng thái  nguyên tử được ký hiệu lần lượt là 1〉, |2〉, |3〉, |4〉, và |5〉 (b).   
  11. ix    2.15  Buồng cộng hưởng vòng một chiều chứa N nguyên tử trong mẫu có chiều  dài L,  E p và  E T  lần lượt là trường tới và trường truyền qua.  I p 2.16  Đồ thị cường độ vào - ra đối với hai thành phần phân cực trái σ- và phân cực  phải σ+ tại Δp = ΔB = ±3γ (hoặc B = ±3γc) (a) và tại Δp = -ΔB = ±3γ (hoặc B = ±  3γc)  (b).  Các  tham  số  khác  được  chọn  là:  Ωc  =  Ωd  =  3,  C=  200,  và  c = d = 0.  2.17  Phổ hấp thụ của trường dò khi B = 0 (a) và khi B = 3γc (b). Các tham số  khác được chọn là: Ωc = Ωd = 3, C= 200, và c = d = 0.  3.1  Mô hình nguyên tử ba mức lambda dưới sự tương tác của hai trường laser (a).  Sơ đồ  vector  phân  cực  và  trường  laser tương  ứng được  thiết lập  sao  cho  mỗi laser chỉ ảnh hưởng đến một dịch chuyển (b).  3.2  Tiến  triển  theo  không  gian -  thời  gian  của  cường  độ  xung  dò  khi  trường  điều khiển bật (a) và tắt (b).  3.3  Tiến triển của xung dò tại (a)   = 0; (b)   = 0.1; (c) p = 0.5; và (d)   = 0.99.  Các tham số khác được sử dụng là Ωp0 = 0.121, Ωc = 521,  = 0 và R = 0.  3.4.  Tiến  triển  của  xung  đầu  dò  tại  (a)  ϕ  =  0;  (b)ϕ  =  π/2;  (c);  ϕ  =  π;  (d)  ϕ  =  3π/2. Các tham số khác được đưa ra là Ωp0 = 0.121, Ωc = 521, p = c = 0,  R = 0 và p = 0.3.  3.5  Hệ số hấp thụ Im(ρ21) phụ thuộc vào pha tương đối khi p = 0.3.  3.6  Tiến triển của xung dò tại (a) R = 0; (b) R = 0.01; (c) R = 0.05; (d) R = 0.1. Các  tham số khác được đưa ra là Ωp0 = 0.121, Ωc = 521,  = π và p = 0.3.  3.7  Tiến triển theo thời gian của trường dò cw (đường liền nét) và trường điều  khiển (đường đứt nét) để thực hiện chuyển mạch tại các giá trị khác nhau  của tham số p: (a) p = 0; (b) p = 0.1; (c) p = 0.5; (d) p = 0.99.   
  12. x    3.8  Sự tiến triển theo thời gian của trường dò sóng liên tục (đường liền nét) và  trường điều khiển chuyển mạch (đường đứt nét) tại các giá trị khác nhau của  pha tương đối ϕ; (a) ϕ = 0; (b) ϕ = π/2; (c) ϕ = π; (d) ϕ = 3π/2 khi p = 0.1.  3.9  Tiến triển theo thời gian của trường dò cw (đường bên trên) ở ξ = 100/α theo  sự biến điệu của pha tương đối   (τ) (đường bên dưới) trong khoảng [0  -  π]  của pha tương đối ϕ đối với các giá trị khác nhau của tham số SGC. Các  tham số khác là Ωp = 0.1γ21, Ωc = 5γ21, R = 0.05.  3.10  Tiến triển theo thời gian của trường dò sóng liên tục (đường bên trên) ở  ξ = 100/α theo sự biến điệu của pha tương đối ϕ(τ) (đường bên dưới) trong  khoảng [π - 2π] của pha tương đối ϕ đối với các giá trị khác nhau của tham  số SGC. Các tham số khác là Ωp = 0.1γ21, Ωc = 5γ21, R = 0.05.  3.11  Đồ thị hệ số hấp thụ Im(ρ21) theo pha tương đối tại các giá trị khác nhau  của tham số p.  3.12  Tiến triển theo thời gian của trường dò cw (đường bên dưới) theo sự biến  điệu  của  pha  tương  đối  ϕ(τ)  (đường  bên  trên)  trong  miền  pha  tương  đối ϕ [0 - π] đối với các giá trị khác nhau của tốc độ bơm không kết hợp  R. Các tham số khác là Ωp = 0.1γ21, Ωc = 5γ21, p = 0.3.  3.13  Tiến triển theo thời gian của trường dò cw (đường bên dưới) theo sự biến  điệu của pha tương đối ϕ(τ) (đường bên trên) trong miền pha tương đối ϕ  [π - 2π] đối với các giá trị khác nhau của tốc độ bơm không kết hợp R. Các  tham số khác là Ωp = 0.1γ21, Ωc = 5γ21, p = 0.3.  3.14  Tiến  triển  không  gian  -  thời  gian  của  hai  thành  phần  phân  cực  tròn  của  trường dò  khi  trường  điều  khiển  được  bật  Ωd  = 0  (a)  và  tắt  Ωd  = 3γ  (b).  Các tham số khác được chọn lần lượt là Ωc = 3, Ωp0 = 0.01γ, B = 0, và  c = d = p = 0.   
  13. xi    3.15  Tiến triển theo thời gian của hai thành phần phân cực tròn trái (đường liền  nét bên dưới) và thành phần phân cực tròn phải (đường đứt nét bên dưới)  của trường laser dò dưới biến điệu của trường điều khiển (đường liền nét  bên trên) tại các độ lệch tần của trường dò khác nhau: p = 0 (bộ hình a)  và p = ∓3 (bộ hình b). Các tham số khác được chọn lần lượt là Ωc = Ωd  = 3, Ωp0 = 0.01γ, B = 3c, và c = d = 0.   
  14. xii    DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng Nội dung 1.1 Các tác dụng của trường ngoài trong vật lý nguyên tử.  1.2 Hiệu ứng Zeeman thường.                                   
  15. xiii    MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN ................................. iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .......................................................................... xii MỤC LỤC .............................................................................................................. xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Lí do chọn đề tài ....................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu..............................................................................................6 3. Nội dung nghiên cứu .............................................................................................6 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................7 5. Bố cục luận án........................................................................................................7 Chương 1. LAN TRUYỀN CỦA ÁNH SÁNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ NGUYÊN TỬ ........................................................9 1.1 Mô hình lý thuyết Maxwell - Bloch ...............................................................9 1.1.1 Các phương trình Maxwell và phương trình sóng...................................  0 1 1.1.2 Gần đúng hàm bao biến thiên chậm và gần đúng sóng quay ..................  2 1 1.1.3 Phương trình Bloch cho hệ nguyên tử 3 mức cấu hình lamda ................  6 1 1.2 Sự tách mức nguyên tử và tách mức Zeeman ...........................................20 1.2.1 Sự tách mức năng lượng của nguyên tử Rubi .........................................  2 2 1.2.2 Hiệu ứng Zeeman ....................................................................................  5 2 1.3 Một số hiệu ứng lượng tử trong môi trường nguyên tử kết hợp ..............31 1.3.1 Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ ......................................................  1 3 1.3.2 Hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ (EIA) ................................................  43 1.3.3 Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát (SGC)  .....................................  5 . 3 1.4 Chuyển mạch quang và phân loại ..............................................................37 1.4.1 Khái quát về chuyển mạch quang ...........................................................  7 . 3 1.4.2 Các đặc trưng của chuyển mạch quang ...................................................  93 1.4.3 Phân loại chuyển mạch quang toàn quang ..............................................  2 4 Chương 2. LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG VÀ ĐA ỔN ĐỊNH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG EIT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TỪ TRƯỜNG NGOÀI VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI ..................................................................................................47 2.1 Tổng quan về lưỡng ổn định quang ............................................................47  
  16. xiv    2.1.1. Nguyên lý lưỡng ổn định quang .............................................................  8 4 2.1.2. Phân loại lưỡng ổn định quang ...............................................................  0 5 2.2 Nghiên cứu lưỡng ổn định quang (OB) và đa ổn định quang (OM) ........51 2.2.1 Mô hình 2 mức suy biến và hệ phương trình ma trận mật độ .................  1 5 2.2.2 Phương trình lưỡng ổn định quang ..........................................................  4 5 2.3 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số lên các đặc trưng OB ....................56 2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ laser điều khiển ................................  6 5 2.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của tham số liên kết nguyên tử ..............................  8 5 2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của từ trường ngoài ...............................................  0 6 2.3.4.  Khảo sát ảnh hưởng của pha tương đối .................................................  3 6 2.4. Mở rộng nghiên cứu về OB - OM trong hệ năm mức năng lượng ..........65 2.4.1. Mô hình năm mức cấu hình Λ+Ξ ...........................................................  5 6 2.4.2. Khảo sát OB - OM trong môi trường năm mức cấu hình Λ+Ξ  .............  8 . 6 Kết luận chương 2 ...................................................................................................73 Chương 3. LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG .....74 3.1 Mô hình lý thuyết ..........................................................................................74 3.2 Ảnh hưởng của các tham số lên động học lan truyền xung ......................78 3.2.1 Ảnh hưởng của cường độ laser điều khiển lên lan truyền xung dò .........  9 7 3.2.2 Ảnh hưởng của SGC lên lan truyền xung dò...........................................  0 8 3.2.3 Ảnh hưởng của pha tương đối lên lan truyền xung dò ............................  2 8 3.2.4 Ảnh hưởng của bơm không kết hợp lên lan truyền xung dò ...................  4 8 3.3 Chuyển mạch toàn quang trong môi trường nguyên tử ba mức lambda......86 3.3.1 Điều khiển chuyển mạch toàn quang thông qua trường điều khiển ........  6 8 3.3.2 Điều khiển chuyển mạch toàn quang thông qua pha tương đối ..............  0 9 3.4 Mở rộng nghiên cứu cho môi trường nguyên tử năm mức cấu hình Λ+Ξ ....97 Kết luận chương 3 .................................................................................................101 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ....................104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................107  
  17. 1    MỞ ĐẦU  1. Lí do chọn đề tài Hiện nay, việc điều khiển ánh sáng bởi ánh sáng là một trong những chủ  đề thú vị và thực tế của quang lượng tử và quang phi tuyến bởi có những ứng  dụng  tiềm  năng  trong  thông  tin  lượng  tử,  chuyển  mạch  toàn  quang,  bộ  nhớ  toàn quang và máy tính lượng tử [1, 2]. Việc điều khiển này được thực hiện  khi  chiếu  một  chùm  laser  đi  qua  thiết  bị  quang  sẽ  làm  cho  trạng  thái  lan  truyền của nó bị biến đổi dưới tác dụng của một chùm ánh sáng khác. Theo  cách này,  tương  ứng  với  một  trạng  thái  cường độ  đầu  vào  có  hai trạng thái  cường độ đầu ra khác nhau gọi là lưỡng ổn định quang (OB) hay có nhiều hơn  hai trạng thái cường độ đầu ra khác nhau của chùm tín hiệu gọi là đa ổn định  quang (OM); hoặc một chùm ánh sáng tín hiệu được bật/tắt theo sự biến điệu  của  một  chùm  ánh  sáng  khác  được  gọi  là  chuyển  mạch  toàn  quang  (AOS).  Các nghiên cứu trước đây trong môi trường nguyên tử hai mức truyền thống  đã chỉ ra rằng nếu muốn các xung tín hiệu có thể lan truyền với hình dạng và  biên độ không đổi giống như soliton thì công suất của chùm sáng phải mạnh  hoặc các xung đầu vào cực ngắn [3, 4]. Điều này có thể gây ra các hiệu ứng  nhiệt làm phá vỡ các tính chất quang của môi trường cũng như độ hấp thụ tại  lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử là rất lớn. Hơn nữa, tính phi tuyến tại tần  số cộng hưởng của môi trường hai mức truyền thống rất nhỏ và có các tính  chất quang thụ động nên các thiết bị chuyển mạch quang của môi trường hai  mức không linh hoạt và có độ nhạy thấp. Điều này gây ra các hạn chế cho ứng  dụng trong công nghệ quang tử hoạt động ở ngưỡng thấp. Vì vậy, làm cách  nào để tăng cường độ nhạy và tăng khả năng điều khiển được các đặc trưng  trong chuyển mạch toàn quang là vấn đề đang được các nhà khoa học trong  lĩnh vực này quan tâm nghiên cứu.   
  18. 2      Để đáp ứng được nhu cầu về tốc độ, dung lượng truyền dẫn thông tin  quang và tăng cường độ nhạy của chuyển mạch toàn quang hoạt động ở chế  độ  cường  độ tín hiệu  thấp thậm  chí  chỉ  vài  photon  [5,  6], trong  những  năm  gần đây đã có rất nhiều các nghiên cứu về các hiệu ứng kết hợp và giao thoa  lượng tử trong các hệ nguyên tử nhiều mức năng lượng khác nhau được điều  khiển bằng laser.  Hàng loạt  các hiệu  ứng  mới  lạ đã  được khám  phá  và  một  trong những hiệu ứng đó là hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) [7, 8].  Môi  trường  EIT  không  chỉ  triệt  tiêu  hấp  thụ  tuyến  tính  [9,  10]  mà  còn  làm  tăng độ cảm điện phi tuyến trong vùng lân cận của tần số cộng hưởng nguyên  tử [11-13]. Do đó, EIT được kỳ vọng sẽ có nhiều ứng dụng tiềm năng trong  các lĩnh vực như làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng [14, 15], lưu trữ và xử lý  thông tin quang [16, 17], quang học phi tuyến ngưỡng thấp và tăng cường phi  tuyến Kerr [18 - 21], động học lan truyền xung ánh sáng và tạo ra các soliton  quang học [22, 23], lưỡng ổn định quang và chuyển mạch toàn quang [24-42], v.v.    Cần nói rõ hơn, lưỡng ổn định quang đã được nghiên cứu rộng rãi cả về  mặt lý thuyết và thực nghiệm trong các môi trường nguyên tử khác nhau [43,  44].  Hầu  hết  các  nghiên  cứu  ban  đầu  về  OB  đã  được  thực  hiện  trên  hệ  các  nguyên tử hai mức được đặt trong các buồng cộng hưởng quang học [45] vì  dễ tạo ra được  đường cong trễ OB  trong  cả lý thuyết lẫn thực nghiệm.  Tuy  nhiên, do tính chất thụ động của mô hình này, OB chỉ có thể được điều khiển  bằng cách thay đổi cường độ của chùm tín hiệu đầu vào mà cũng là tín hiệu  nhận được ở đầu ra. Do đó, hiệu suất biến đổi thấp và không thể điều khiển  được cường độ ngưỡng chuyển mạch cũng như chu kỳ chuyển mạch. Vì vậy,  các hệ nguyên tử nhiều mức đã được đề xuất để khảo sát đặc trưng OB và OM  dưới hiệu ứng EIT [46-48]. Tận dụng các ưu điểm của môi trường EIT so với  môi trường truyền thống, các tính chất quang của môi trường được thay đổi  đáng kể bao gồm các đặc tính hấp thụ, tán sắc tuyến tính và phi tuyến [49],   
  19. 3    nhờ vậy mà ta có thể điều khiển được đặc trưng OB hay nói cách khác là ứng  dụng này sẽ tạo ra thiết bị OB chủ động và tối ưu được các tham số điều khiển  [50, 51]. Hơn  nữa,  ảnh hưởng  của  giao thoa  lượng  tử và  pha  tương  đối  của  các trường laser và tương tác cộng hưởng trạng thái tối đối với các đặc tính  của OB cũng đã được nghiên cứu [52]. Mặc dù đã có nhiều khảo sát sâu rộng  về chủ đề này nhưng các nghiên cứu này thường bỏ qua sự suy biến gây ra  bởi hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này ảnh hưởng rất lớn lên hệ nguyên tử khi  có từ trường ngoài tác động, vì vậy cũng cần được xem xét khi hệ nguyên tử  đặt trong từ trường ngoài. Hơn nữa vẫn cần một sơ đồ kích thích đơn giản để  có  thể  dễ  dàng  thực  hiện  hơn  trong  thực  nghiệm.  Do  đó,  chúng  tôi  đề  xuất  khảo sát các đặc trưng của OB/OM trong hệ nguyên tử hai mức suy biến dưới  tác dụng của từ trường ngoài và trình bày trong chương 2 của luận án này.    Bên cạnh nghiên cứu chuyển mạch toàn quang thông qua OB/OM trong  trạng thái  dừng thì  các nghiên  cứu  về  động học  lan  truyền xung ổn định có  dạng soliton và chuyển mạch toàn quang ở trạng thái không dừng trong môi  trường EIT cũng đã thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên  thế  giới  bởi  những  ưu  điểm  vượt  trội  như  tốc  độ  đáp  ứng  cao,  công  suất  chuyển mạch thấp, độ suy hao tín hiệu rất nhỏ v.v... Một số nhóm nghiên cứu  đã sử dụng một cách hiệu quả khi chuyển đổi qua lại giữa hiệu ứng EIT và  hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ (EIA) dẫn đến sự hấp thụ được tăng cường  tại tần số cộng hưởng nguyên tử để nghiên cứu điều khiển AOS [53, 54]. Điển  hình, Schmidt và Ram [53] đã đề xuất chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước  sóng toàn quang dựa trên sự biến đổi hấp thụ tuyến tính trong môi trường EIT  ba mức lambda.  Cơ chế  chuyển  mạch này  rất  khác so  với  các phương pháp  trước đó và dẫn đến các tính chất độc đáo của thiết bị, đáng chú ý nhất là các  nhiễu loạn, chirp xung không đáng kể và bảo toàn định dạng dữ liệu. Sau đó,  Ham và các cộng sự đã tạo được AOS dựa trên trạng thái tối trong hệ ba mức   
  20. 4    [35] và hệ bốn mức [36] trong tinh thể ion-pha tạp. Tiếp theo, bằng cách sử  dụng trường laser được điều biến bằng tần số vô tuyến (RF) liên kết hai mức  trên  gần  nhau  và  có  thể  tạo  ra  cộng  hưởng  tối  kép  trong  hệ  bốn  mức  bậc  thang, nhóm của Yang [54] đã cho thấy động học lan truyền xung ánh sáng và  AOS được điều khiển hoàn toàn bởi trường điều khiển RF bên ngoài. Kết quả  này  có  thể  được  sử  dụng  như  một  loại  biến  điệu  quang  học  và  công  tắc  chuyển  mạch  toàn  quang,  mở  ra  khả  năng  tạo  ra  các  thiết  bị  chuyển  mạch  mới. Gần đây, Hamedi [25] đã cho thấy rằng các đặc trưng của OB được liên  hệ  với  AOS  trong  hệ  nguyên  tử  năm  mức  dạng  chữ  Y  ngược  dưới  sự  điều  biến của trường điều khiển. Đặc biệt dựa trên cơ chế chuyển đổi giữa EIT và  EIA, nhóm của Li cũng đã cho thấy AOS có thể điều khiển được trong môi  trường nguyên tử 4 mức chữ N thông qua cường độ, tần số của trường chuyển  mạch [42].    Ngoài ảnh hưởng của các hiệu ứng kết hợp và giao thoa lượng tử như  EIT, EIA còn có thêm kết hợp nguyên tử được tạo ra bởi sự giao thoa giữa  các kênh phát xạ tự phát do sự định hướng không trực giao của các momen  lưỡng cực điện được gây ra bởi hai trường laser đặt vào hệ nguyên tử có các  mức suy biến gần nhau. Sự giao thoa này sẽ tạo ra độ kết hợp nguyên tử được  gọi  là độ  kết  hợp  được  tạo  bởi phát  xạ  tự  phát  (SGC)  [56]. Một  số phương  pháp chuyển mạch quang (OS) đã được đề xuất dựa trên các hiệu ứng kết hợp  và giao thoa lượng tử này [57, 58]. Hơn nữa, bằng thực nghiệm nhóm Kang  [58] đã quan sát được sự giao thoa lượng tử trong  hệ bốn  mức năng lượng.  Trong  nghiên  cứu  này,  nhóm  tác  giả  này  đã  chứng  minh  rằng  có  thể  điều  khiển pha và tần số của quá trình chuyển mạch hấp thụ tại mức ánh sáng yếu  (cỡ 0,1 mW/cm2). Nhờ vậy có thể tạo ra các xung ánh sáng chậm và có khả  năng triển khai thực tế cho công tắc quang lượng tử trong đó sự hấp thụ và  truyền qua được điều khiển bởi các đơn photon ở các tần số khác nhau. Trên   
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
3=>0