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

Thêm vào BST

Báo xấu

8
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:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

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

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
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
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
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
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.
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
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
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.
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).
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).
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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],
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
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