Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ảnh hưởng phân cực và pha tương đối giữa các trường laser lên tính chất quang của môi trường nguyên tử ba mức năng lượng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm xây dựng mô hình giải tích mô tả phụ thuộc của tính chất quang (hấp thụ, tán sắc, vận tốc nhóm và độ trễ nhóm) của hệ ba mức năng lượng cấu hình Λ, Ξ và chữ V theo các tham số điều khiển (cường độ, tần số, phân cực và pha tương đối) của các trường laser. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Ảnh hưởng phân cực và pha tương đối giữa các trường laser lên tính chất quang của môi trường nguyên tử ba mức năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ------------------ LÊ NGUYỄN MAI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGHỆ AN, 2020 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ------------------ LÊ NGUYỄN MAI ANH ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Quang học Mã số: 9 44 01 10 Cán bộ hướng dẫn: 1. GS. TS. Nguyễn Huy Bằng 2. TS. Lê Văn Đoài NGHỆ AN, 2020 ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Nguyễn Huy Bằng và TS. Lê Văn Đoài. Các kết quả trong luận án là trung thực và được công bố trên các tạp chí chuyên ngành ở trong nước và quốc tế. Nghệ An, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Nguyễn Mai Anh iii
LỜI CẢM ƠN Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến GS. TS. Nguyễn Huy Bằng và TS. Lê Văn Đoài - người đã định hướng đề tài, hướng dẫn tận tình và luôn động viên, đồng hành sát cánh cùng tôi bằng tất cả sự tận tâm, nhiệt huyết, niềm đam mê khoa học trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám hiệu, Viện Sư phạm Tự nhiên, Chuyên ngành Quang học, Phòng Đào tạo Sau đại học - Trường Đại học Vinh và Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học - Trường Đại học Nông Lâm TPHCM đã hỗ trợ, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ của nghiên cứu sinh trong quá trình học tập, nghiên cứu và công tác. Tôi cũng xin được cảm ơn về những bình luận, ý kiến đóng góp khoa học quý báu cho luận án của các nhà khoa học, đồng nghiệp, bạn bè trong những buổi thảo luận seminar và báo cáo chuyên đề của chuyên ngành Quang học tại Trường Đại học Vinh. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ trong suốt thời gian qua. Nghệ An, ngày 31 tháng 12 năm 2020 Tác giả luận án Lê Nguyễn Mai Anh iv
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................VIII DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ......................................................................IX DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................... XII MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN TÍNH CHẤT QUANG CỦA NGUYÊN TỬ BẰNG LASER........................................................................ 9 1.1. Giới thiệu.....................................................................................................9 1.2. Cơ sở lý thuyết về lan truyền ánh sáng trong môi trường ........................10 1.2.1. Phương trình truyền sóng...............................................................10 1.2.2. Sự hấp thụ và tán sắc .....................................................................11 1.3. Vận tốc pha và vận tốc nhóm ....................................................................13 1.3.1. Vận tốc pha ....................................................................................13 1.3.2. Vận tốc nhóm .................................................................................13 1.3.3. Vận tốc tín hiệu ..............................................................................14 1.4. Ánh sáng nhanh và ánh sáng chậm ...........................................................16 1.5. Độ trễ nhóm của xung sáng.......................................................................19 1.6. Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ........................................................20 1.7. Ứng dụng điều khiển ánh sáng nhanh và ánh sáng chậm .........................23 1.7.1. Bộ nhớ lượng tử .............................................................................23 1.7.2. Xử lý thông tin quang ....................................................................23 1.7.3. Tăng độ phân giải của giao thoa kế ...............................................24 1.8. Kết luận chương 1 .....................................................................................26 v
CHƯƠNG 2. ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN HẤP THỤ VÀ TÁN SẮC ............. 28 2.1. Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình lambda .........................................28 2.1.1. Hệ phương trình ma trận mật độ ....................................................28 2.1.2. Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát SGC...............................31 2.1.3. Ảnh hưởng của pha tương đối giữa hai trường laser .....................33 2.1.4. Nghiệm của hệ phương trình ma trận mật độ ................................35 2.2. Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình bậc thang .....................................38 2.3. Sự kích thích nguyên tử theo cấu hình chữ V ...........................................43 2.4. Hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc ..................................................................50 2.5. Điều khiển hấp thụ và tán sắc ...................................................................51 2.5.1. Ảnh hưởng của SGC ......................................................................52 2.5.2. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển .................................57 2.5.3. Ảnh hưởng của độ lệch tần số trường điều khiển. .........................60 2.5.4. Ảnh hưởng của pha tương đối giữa các trường laser ....................64 2.6. So sánh với kết quả mô phỏng bằng phương pháp số...............................68 2.7. Kết luận chương 2 .....................................................................................70 CHƯƠNG 3. ẢNH HƯỞNG CỦA PHÂN CỰC VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI GIỮA CÁC TRƯỜNG LASER LÊN CHIẾT SUẤT NHÓM VÀ ĐỘ TRỄ NHÓM ............................................................................................................ 72 3.1. Chiết suất nhóm và độ trễ nhóm ...............................................................72 3.1.1. Chiết suất nhóm .............................................................................72 3.1.2. Độ trễ nhóm ...................................................................................72 3.2. Điều khiển chiết suất nhóm .......................................................................73 3.2.1. Ảnh hưởng của SGC ......................................................................73 3.2.2. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển .................................76 vi
3.2.3. Ảnh hưởng của tần số trường điều khiển.......................................79 3.2.4. Ảnh hưởng của pha tương đối giữa các trường laser ....................81 3.3. Điều khiển độ trễ nhóm .............................................................................83 3.3.1. Ảnh hưởng của SGC lên độ trễ nhóm............................................83 3.3.2. Ảnh hưởng của cường độ trường điều khiển lên độ trễ nhóm.......84 3.3.3. Ảnh hưởng của tần số trường điều khiển lên độ trễ nhóm ............85 3.3.4. Ảnh hưởng của pha tương đối lên độ trễ nhóm .............................86 3.4. So sánh ảnh hưởng của SGC và pha tương đối trong chế độ trường dò yếu và chế độ trường dò mạnh ................................................................................87 3.4.1. Ảnh hưởng của SGC trong chế độ trường dò yếu và trường dò mạnh .........................................................................................................87 3.4.2. Ảnh hưởng của pha tương đối trong chế độ trường dò yếu và chế độ trường dò mạnh ...................................................................................92 3.4.3. Ảnh hưởng của pha tương đối lên độ trễ nhóm trong chế độ trường dò yếu .......................................................................................................95 3.5. Kết luận chương 3 .....................................................................................96 KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 99 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................................. 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 103 PHỤ LỤC ..................................................................................................... 111 vii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt CPO Coherent Population Oscillations Dao động độ cư trú kết hợp CPT Coherence Population Trapping Sự giam cầm độ cư trú kết hợp EIT Electromagnetically Induced Transparency Sự trong suốt cảm ứng điện từ EIA Electromagnetically Induced Absorption Hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ LWI Lasing Without Inversion Phát laser khi không có đảo lộn độ cư trú SGC Spontaneously Generated Coherence Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát Re Real part Phần thực Im Imaginary part Phần ảo viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Nghĩa c m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không nm C.m Mômen lưỡng cực điện của dịch chuyển n - m Ec V/m Cường độ điện trường chùm laser điều khiển Ep V/m Cường độ điện trường chùm laser dò En J Năng lượng riêng của trạng thái n F không thứ nguyên Số lượng tử mô men góc toàn phần H J Hamtilton toàn phần H0 J Hamilton của nguyên tử tự do HI J Hamilton tương tác giữa hệ nguyên tử và ánh sáng I W/m2 Cường độ chùm ánh sáng kB J/K Hằng số Boltzmann mRb kg Khối lượng của nguyên tử Rb N Nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử P C/m2 Độ lớn véctơ phân cực điện (vĩ mô) P(1) C/m2 Độ lớn véctơ phân cực tuyến tính  m-1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 0 F/m Hằng số điện của chân không ix
0 H/m Hằng số từ của chân không  F/m Độ điện thẩm của môi trường  H/m Độ từ thẩm của môi trường r không thứ nguyên Độ điện thẩm tỷ đối r không thứ nguyên Độ từ thẩm tỷ đối n0 không thứ nguyên Chiết suất tuyến tính n không thứ nguyên Chiết suất hiệu dụng ng không thứ nguyên Chiết suất nhóm 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 J.s Hằng số Planck rút gọn  Hz Tốc độ phân rã tự phát độ cư trú nguyên tử  Hz Tốc độ suy giảm tự phát độ kết hợp vc Hz Tốc độ suy giảm độ kết hợp do va chạm  không thứ nguyên Độ cảm điện của môi trường nguyên tử , Re() không thứ nguyên Phần thực của độ cảm điện , Im() không thứ nguyên Phần ảo của độ cảm điện (1) không thứ nguyên Độ cảm điện bậc 1 (tuyến tính)  - Ma trận mật độ x
(0) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp không (1) - Ma trận mật độ trong gần đúng cấp một  Hz Tần số Rabi c Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser điều khiển p Hz Tần số Rabi gây bởi trường laser dò  Hz Độ lệch giữa tần số laser với tần số dịch chuyển nguyên tử (viết tắt: độ lệch tần số) 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 p 0 (độ) Pha của trường laser dò c 0 (độ) Pha của trường laser điều khiển  0 (độ) Độ lệch pha giữa trường dò và trường điều khiển (pha tương đối)  0 (độ) Góc giữa hai mô men lưỡng cực điện vg m/s Vận tốc nhóm ánh sáng vp m/s Vận tốc pha ánh sáng Tdel ns Độ trễ nhóm ánh sáng xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Các công tua hệ số hấp thụ (a), hệ số tán sắc (b) và chiết suất nhóm (c) tại lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử. ............................... 18 Hình 1.2. Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức năng lượng theo cấu hình: (a) lambda, (b) bậc thang, (c) chữ V. ................................................ 20 Hình 1.3. Các nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản |1 tới trạng thái kích thích |2: (a) kích thích trực tiếp |1  |2; (b) kích thích gián tiếp |1  |2  |3  |2. ..................................................................... 21 Hình 1.4. (a) công tua hệ số hấp thụ và (b) hệ số tán sắc. Trong đó, đường liền nét ứng với khi có trường laser điều khiển còn đường đứt nét ứng với khi không có trường laser điều khiển [65]. ........................... 21 Hình 1.5. Sự thay đổi của hấp thụ (màu đỏ), tán sắc (màu đen) theo cường độ Ωc (hình a và b) và tần số Δc (hình c và d) của trường laser điều khiển khi có mặt hiệu ứng EIT được quan sát thực nghiệm ở Trường Đại học Vinh. .................................................................. 22 Hình 1.6. Sử dụng ánh sáng chậm làm bộ đệm để tăng thông lượng của chuyển mạch quang [63, 70,71]................................................... 24 Hình 1.7. Sơ đồ đo tán sắc của môi trường nguyên tử sử dụng ánh sáng chậm trong giao thoa kế Mach - Zehnder [63]. ..................................... 25 Hình 1.8. Phổ tán sắc cộng hưởng (đường màu đen) của môi trường EIT nguyên tử được đo bằng kỹ thuật giao thoa Mach - Zehnder [75]. ...................................................................................................... 26 Hình 2.1. (a) Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình Λ và (b) - sự định hướng giữa hai mô men lưỡng cực điện  21 và  23 . ............ 28 xii
Hình 2.2. (a) Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình bậc thang và (b) - sự định hướng không trực giao giữa hai mô men lưỡng cực điện  21 và 32 . ..................................................................................... 39 Hình 2.3. (a) Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức cấu hình chữ V và (b) - sự định hướng không trực giao giữa hai mô men lưỡng cực điện  21 và 31 . ........................................................................................... 44 Hình 2.4. Các trạng thái được chọn của hệ nguyên tử 85Rb cho cấu hình kích thích ba mức năng lượng: (a) lambda, (b) bậc thang, (c) chữ V. 51 Hình 2.5. Đồ thị của hệ số hấp thụ theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của tham số giao thoa p = 0.9 (đường liền nét), p = 0.7 (đường chấm gạch), p = 0 (đường đứt nét): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ...................................................................... 52 Hình 2.6. Đồ thị của hệ số tán sắc theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của tham số giao thoa p = 0.9 (đường liền nét), p = 0.7 (đường chấm gạch), p = 0 (đường đứt nét): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ...................................................................... 55 Hình 2.7. Đồ thị của hệ số hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) theo p trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét). ................................................................ 56 Hình 2.8. Đồ thị của hệ số hấp thụ theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của cường độ trường điều khiển Gc = 0 (đường liền nét), Gc = 10 (đường đứt nét), Gc = 15 (đường chấm gạch): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ............................................ 57 Hình 2.9. Đồ thị của hệ số tán sắc theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của cường độ trường điều khiển Gc = 0 (đường liền xiii
nét), Gc = 10 (đường đứt nét), Gc = 15 (đường chấm gạch): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ............................................ 58 Hình 2.10. Đồ thị của hệ số hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) theo cường độ trường điều khiển Gc trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét). ................. 60 Hình 2.11. Đồ thị của hệ số hấp thụ theo độ lệch tần trường dò p theo các giá trị khác nhau của độ lệch tần chùm điều khiển c = 0 (đường liền nét), c = -2 (đường chấm gạch), c = 2 (đường đứt nét): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ............................................ 61 Hình 2.12. Đồ thị của hệ số tán sắc theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của độ lệch tần chùm điều khiển c = 0 (đường liền nét), c = -2 (đường chấm gạch), c = 2 (đường đứt nét): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ............................................ 63 Hình 2.13. Đồ thị của hệ số hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) theo độ lệch tần trường điều khiển ∆c trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét). ................. 64 Hình 2.14. Đồ thị hệ số hấp thụ theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của pha tương đối φ = 0 (đường liền nét), φ = π/2 (đường chấm gạch), φ = π (đường đứt nét) và φ = 3π/2 (đường chấm chấm): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ................. 65 Hình 2.15. Đồ thị hệ số tán sắc theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của pha tương đối φ = 0 (đường liền nét), φ = π/2 (đường chấm gạch), φ = π (đường đứt nét) và φ = 3π/2 (đường chấm chấm): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ................. 66 xiv
Hình 2.16. Đồ thị của hệ số hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) theo pha tương đối φ trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch), chữ V (đường đứt nét). ..................................................... 67 Hình 2.17. (a) hệ số hấp thụ được vẽ bằng phương pháp số trong công trình [31], (b) hệ số hấp thụ được vẽ bằng biểu thức giải tích trong công trình chúng tôi. Các tham số được sử dụng cho cả hai hình:  = 0, c = 0, 1 = 2 = , p = c = 10. .............................................. 69 Hình 2.18. (a) hệ số hấp thụ được vẽ bằng phương pháp số trong công trình [32], (b) hệ số hấp thụ được vẽ bằng biểu thức giải tích trong công trình chúng tôi. Các tham số sử dụng cho hai hình:  = 0, c = 0, 1 = , 2 = 0.02, p = 2.5, c = 5.......................................... 69 Hình 2.19. (a) hệ số hấp thụ được vẽ bằng phương pháp số trong công trình [34], (b) hệ số hấp thụ được vẽ bằng biểu thức giải tích trong công trình chúng tôi. Các tham số sử dụng cho cả hai hình:  = , p = 2/2, c = 0, 1 = 2 = , p = 0.01 và c = 5. ......................... 70 Hình 3.1. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của tham số giao thoa p = 0.9 (đường liền nét), p = 0.7 (đường chấm gạch), p = 0 (đường đứt nét): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ................................................................ 74 Hình 3.2. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo tham số giao thoa p trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét). ................................................................ 76 Hình 3.3. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo độ lệch tần trường dò p tại các giá khác nhau của cường độ trường điều khiển Gc = 0 (đường liền nét), Gc = 10 (đường đứt nét), Gc = 15 (đường chấm gạch): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ............................................ 77 xv
Hình 3.4. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo cường độ trường điều khiển Gc theo cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét)................................................... 78 Hình 3.5. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của độ lệch tần chùm điều khiển c = 0 (đường liền nét), c = -2 (đường chấm gạch), c = 2 (đường đứt nét): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. ....................................... 79 Hình 3.6. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo độ lệch tần trường điều khiển ∆c tại cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét)................................................... 80 Hình 3.7. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo độ lệch tần trường dò p tại các giá trị khác nhau của pha tương đối φ = 0 (đường liền nét), φ = π/2 (đường chấm gạch), φ = π (đường đứt nét) và φ = 3π/2 (đường chấm chấm): (a) lambda, (b) bậc thang và (c) chữ V. .... 81 Hình 3.8. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo pha tương đối φ trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch), chữ V (đường đứt nét). ........................................................................... 82 Hình 3.9. Đồ thị của độ trễ nhóm Tdel theo tham số giao thoa p trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét). ........................................................................... 83 Hình 3.10. Đồ thị của độ trễ nhóm Tdel theo cường độ trường điều khiển Gc trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét)................................................... 85 Hình 3.11. Đồ thị của độ trễ nhóm Tdel theo tần số trường điều khiển c trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét)............................................................. 86 xvi
Hình 3.12. Đồ thị của độ trễ nhóm Tdel theo pha tương đối  trong (a) cấu hình lambda (đường liền nét), (b) bậc thang (đường chấm gạch) và (c) chữ V (đường đứt nét). ...................................................... 87 Hình 3.13. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo cường độ trường điều khiển Gc tại các giá trị khác nhau của tham số giao thoa p = 0 (đường chấm chấm) và p = 0.99 trong cấu hình lambda (đường liền nét màu đỏ), bậc thang (đường chấm gạch màu xanh) và chữ V (đường đứt nét màu xanh lá) ứng với cường độ trường dò Gp = 0.01 (a,b,c) và Gp =  (d,e,f). Tại tần số cộng hưởng p = c = 0. .................. 89 Hình 3.14. Đồ thị của chiết suất nhóm ng theo pha tương đối  tại các giá trị khác nhau của cường độ trường điều khiển Gc = 0.0113 (a); Gc = 20 (b); Gc = 0.4 (c) trong trường yếu; Gc = 1.12 (d); Gc = 20 (e); Gc = 1.5 (f) trong trường mạnh đối với cấu hình lambda (đường liền nét màu đỏ), bậc thang (đường chấm gạch màu xanh) và chữ V (đường đứt nét màu xanh lá). Tại tần số cộng hưởng p = c = 0. ........................................................................................ 93 Hình 3.15. Đồ thị của độ trễ nhóm Tdel theo pha tương đối  trong cấu hình lambda (đường liền nét), bậc thang (đường chấm gạch) và chữ V (đường đứt nét). Các tham số của trường laser là Gp = 0.01, p = 0.99; Gc = 0.0113 (a); Gc = 20 (b); Gc = 0.4 (c) tại p = c = 0. ...................................................................................................... 96 Hình 1. Sơ đồ các mức năng lượng tinh tế và siêu tinh tế của nguyên tử 85Rb [78] đối với các dịch chuyển D1 và D2: (a) trạng thái kích thích thứ nhất và (b) trạng thái kích thích thứ hai. ............................. 114 xvii
MỞ ĐẦU Hấp thụ và tán sắc là hai thông số cơ bản đặc trưng cho tính chất quang của môi trường nguyên tử. Hai thông số này liên hệ với nhau theo phần thực và phần ảo của độ cảm điện tuyến tính. Ngoài độ cảm điện tuyến tính thì nguyên tử còn có các độ cảm điện phi tuyến nhưng chúng thường có giá trị rất nhỏ nên chỉ những nguồn sáng có cường độ lớn mới quan sát được các hiện tượng quang phi tuyến. Do đó, sự ra đời của laser đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới và các ứng dụng liên quan. Một trong những hướng nghiên cứu thú vị là điều khiển tính chất quang của nguyên tử dựa trên các hiệu ứng giao thoa lượng tử của các biên độ xác suất dịch chuyển bên trong nguyên tử. Trong số các hiệu ứng giao thoa lượng tử, hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ - EIT (Electromagnetically Induced Transparency) được nghiên cứu sớm nhất [1]. Theo đó, một trường laser dò và một trường laser bơm kích thích đồng thời hai dịch chuyển của nguyên tử có cùng một mức chung theo các cấu hình lambda (), bậc thang () và chữ V (V). Dựa trên lý thuyết lượng tử, sự kích thích hệ nguyên tử như trên sẽ dẫn đến sự chồng chất của các biên độ xác suất dịch chuyển bên trong hệ nguyên tử do đó sinh ra sự giao thoa lượng tử giữa các kênh dịch chuyển. Kết quả là, biên độ xác suất dịch chuyển toàn phần (chẳng hạn, đối với dịch chuyển của chùm laser dò) có thể bị triệt tiêu hoặc tăng cường. Sự triệt tiêu biên độ xác suất dịch chuyển sẽ dẫn đến sự triệt tiêu của hệ số hấp thụ của môi trường đối với chùm laser dò tại miền tần số cộng hưởng được gọi là cửa sổ EIT [2]. Ngoài sự giao thoa làm triệt tiêu biên độ xác suất dịch chuyển thì còn có giao thoa làm tăng cường biên độ xác suất dịch chuyển trong nguyên tử. Hệ quả của sự tăng cường biên độ xác suất dịch chuyển là hấp thụ của môi trường được tăng lên. Đây được gọi là hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ - EIA (Electromagnetically Induced Absorption) [3]. 1
Theo hệ thức Kramers-Kronig, sự thay đổi hệ số hấp thụ quan trọng là sự triệt tiêu hấp thụ dẫn đến sự thay đổi đáng kể các tính chất tán sắc tuyến tính cũng như phi tuyến của môi trường trong miền cộng hưởng. Cụ thể, trong miền cộng hưởng ứng với cửa sổ EIT thì xuất hiện đường cong tán sắc thường trên công tua tán sắc (tuyến tính cũng như phi tuyến). Khi đó, độ cao và độ dốc của đường tán sắc thường này cũng điều khiển được theo các tham số của chùm laser bơm. Điều này đã mở ra các hướng nghiên cứu mang tính đột phá như sự tăng cường hệ số phi tuyến Kerr, làm chậm thậm chí làm dừng ánh sáng trong môi trường nguyên tử, v.v. Cho đến nay, hiệu ứng EIT (liên quan đến tính chất hấp thụ và tán sắc) đã được nghiên cứu rộng rãi cả lý thuyết và thực nghiệm trong các hệ nguyên tử ba mức năng lượng cấu hình  [4],  [5] và V [6]. Gần đây, các nghiên cứu về EIT được mở rộng cho các hệ nguyên tử nhiều mức năng lượng [7-12]. Những nghiên cứu này cho thấy rằng, khi tăng cường độ của chùm laser bơm thì độ sâu và độ rộng của các cửa sổ EIT cũng tăng, đồng thời độ cao của các đường tán sắc thường (bên trong cửa sổ EIT) cũng tăng nhưng độ dốc giảm. Ngoài ra, vị trí của các cửa sổ EIT cũng dịch chuyển được về miền bước sóng ngắn hoặc về miền bước sóng dài bằng cách thay đổi tần số của chùm laser bơm tương ứng. Bên cạnh các nghiên cứu hiệu ứng EIT trong các cấu hình ba mức riêng rẽ thì sự nghiên cứu so sánh các tính chất hấp thụ và tán sắc khi có mặt của hiệu ứng EIT cũng đã được các nhà nghiên cứu quan tâm [13-15]. Nghiên cứu so sánh cho thấy, do sự sắp xếp các mức năng lượng khác nhau giữa các cấu hình kích thích (,  và V) nên hiệu suất của sự giao thoa lượng tử là rất khác nhau và do đó hiệu suất EIT cũng khác nhau. Cụ thể, hiệu ứng EIT dễ dàng xảy ra hơn đối với cấu hình  so với các cấu hình  và V. 2
Như trình bày trên, khi hệ số hấp thụ giảm thì sự xuất hiện đường cong tán sắc thường rất dốc trong miền cộng hưởng. Đây là cơ sở để làm chậm và thậm chí làm dừng hoàn toàn ánh sáng trong môi trường EIT. Sử dụng hiệu ứng EIT, Hau và cộng sự (1991) lần đầu tiên đã quan sát được vận tốc lan truyền xung ánh sáng thấp hơn 17 m/s trong môi trường ngưng tụ Bose- Einstein của nguyên tử Na ba mức cấu hình lambda [2]. Sau đó, Kash và cộng sự đã làm chậm ánh sáng tới vg = 90 m/s trong hơi nguyên tử Rb ở nhiệt độ phòng [16]. Thí nghiệm này, sau đó được tinh chỉnh bởi Budker, lúc này ánh sáng được làm chậm tới vg = 8 m/s [17]. Đặc biệt, sử dụng kỹ thuật EIT một số nhóm như Liu và Walsworth đã làm dừng hoàn toàn một xung ánh sáng trong thời gian cỡ ms, cho phép tạo ra các xung ánh sáng mang thông tin giống nhau với các mất mát rất nhỏ [18]. Gần nhất, nhóm Ofer Firstenberg (2018) đã công bố bằng thực nghiệm cho nguyên tử khí - kim loại kiềm có thể được “lưu trữ” trong thời gian một giây ở nhiệt độ phòng [19]. Tương tự EIT, nghiên cứu so sánh làm chậm vận tốc nhóm trong các cấu hình ba mức cũng đã được thực hiện gần đây [20]. Các kết quả được áp dụng cho môi trường nguyên tử khí 87Rb và cho thấy khả năng làm chậm vận tốc nhóm của ánh sáng tốt nhất đối với cấu hình  và kém nhất đối với cấu hình V. Theo đó, vận tốc nhóm nhỏ nhất đạt được tương ứng với hiệu suất trong suốt khoảng 50% đối với cấu hình , 60% đối với cấu hình  và trên 80% đối với cấu hình V. Để mở rộng miền phổ điều khiển vận tốc nhóm, các nhóm nghiên cứu đã sử dụng các hệ nguyên tử nhiều mức năng lượng [21- 24]. Ngoài hiệu ứng EIT và EIA như đã trình bày ở trên thì còn có một hiệu ứng giao thoa lượng tử khác xảy ra giữa các kênh phát xạ tự phát do sự định hướng không trực giao của các mômen lưỡng cực điện được cảm ứng bởi hai 3