Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lí: Xây dựng hệ nghiên cứu tính chất quang của nguyên tử Rubi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài "Xây dựng hệ nghiên cứu tính chất quang của nguyên tử Rubi" là thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm phổ phân giải cao, có kích thước nhỏ gọn, tính ổn định cao, giá thành thấp, tích hợp nhiều phép đo phổ phân giải siêu cao khác nhau. Từ đó, sử dụng hệ thí nghiệm để nghiên cứu các tính chất quang của môi trường khí nguyên tử Rubi.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lí: Xây dựng hệ nghiên cứu tính chất quang của nguyên tử Rubi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ---------- NGUYỄN VĂN ÁI XÂY DỰNG HỆ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA NGUYÊN TỬ RUBI Chuyên nghành: Quang học Mã số: 9440110 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ NGHỆ AN, 2022
LUẬN ÁN ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Nguyễn Huy Bằng Phản biện 1: …………………………………………………………… …………………………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………………………… …………………………………………………………… Phản biện 3: …………………………………………………………… …………………………………………………………… Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại ……………………………………………………………………………. Vào hồi ……….. giờ ………... phút, ngày …….. tháng ……. Năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện quốc gia và trung tâm thông tin - thư viện Nguyễn Thúc Hào, trường Đại học Vinh.
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Phổ học là lĩnh vực khoa học ra đời từ rất lâu và gắn liền với các mốc quan trọng trong lịch sử phát triển vật lý. Sự phát triển của các phương pháp và các thiết bị đo phổ hiện đại đã từng bước làm sáng tỏ cấu trúc vi mô của nguyên tử/phân tử đến cấp độ siêu tinh tế. Thiết kế và xây dựng các hệ thí nghiệm hiện đại để nghiên cứu các cấu trúc phổ phân giải siêu cao và nghiên cứu các tính chất quang nguyên tử là các chủ đề luôn được các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới quan tâm. Hiện nay, các kỹ thuật phổ phân giải cao như kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa (SAS) [1]–[4], kỹ thuật phổ kích thích kết hợp [3], [4] và kỹ thuật phổ đánh dấu phân cực [4] được sử dụng để xác định các dịch chuyển siêu tinh tế của nguyên tử/phân tử. Qua đó, giúp chúng ta hiểu được cấu trúc nguyên tử với độ chính xác cao, do đó chúng ta có thể dễ dàng thao tác và điều khiển chúng và làm cơ sở cho sự hình thành các lý thuyết mới. Chẳng hạn như sự làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng laser [5]–[9] hay tạo các vật liệu mới có các tính chất đặc biệt như vật liệu trong suốt cảm ứng điện từ (EIT-Electromagentically Induced Transparency) [10]–[20]. Vật liệu này được hình thành do sự giao thoa lượng tử giữa các biên độ xác suất dịch chuyển của các trạng thái lượng tử bên trong nguyên tử dưới tác dụng đồng thời của các trường laser. Các tính chất quang tiêu biểu của vật liệu EIT gồm: sự trong suốt ở tần số cộng hưởng, phi tuyến Kerr khổng lồ [10], [13], [15], [21]–[26], tốc độ tán sắc cực lớn nên vận tốc nhóm của photon cực nhỏ [27]–[32]. Đặc biệt, ta có thể điều khiển các tính chất nội tại nói trên của các nguyên tử bằng laser bên ngoài. Với những tính chất nổi bật đó, vật liệu EIT được kỳ vọng sẽ tạo nhiều ứng dụng quan trọng. Chẳng hạn, sử dụng vật liệu EIT cho lưu lưu trữ ánh sáng [33]–[38], lưỡng ổn định quang và chuyển mạch quang [39]–[43] (phần tử cơ bản cho các bộ xử lý thông tin quang hiện đại) sẽ có độ nhạy cao gấp hàng triệu lần so với sử dụng vật liệu phi tuyến Kerr truyền thống. Hơn nữa, do hệ số phi tuyến Kerr của vật liệu EIT có thể điều khiển được cả độ lớn và dấu nên chúng ta có thể điều khiển được đặc trưng lưỡng ổn định quang và chuyển mạch toàn quang, hay nói cách khác là ứng dụng này sẽ tạo ra thiết bị chuyển mạch quang chủ động. Mô hình cơ bản để tạo vật liệu EIT là dựa vào sự liên kết giữa 3 trạng thái siêu tinh tế của nguyên tử với hai trường laser (trong đó có một laser đóng vai trò điều khiển), do đó cấu hình cơ bản của EIT là các hệ nguyên tử ba mức năng lượng (cấu hình lambda, chữ V và bậc thang). Dưới tác dụng của chùm laser bơm, môi trường trở nên trong suốt với chùm laser dò tại một miền tần số nào đó (gọi là cửa sổ trong suốt hay cửa sổ EIT). Mặc dù, vật liệu EIT ba mức năng lượng đã được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị photonic hiện đại [40], [44], nhưng vật liệu này chỉ có một miền phổ trong suốt hẹp nên miền hoạt động của các thiết bị chỉ nằm trong một miền tần số nhỏ. Vì vậy, việc tìm giải pháp để tăng số cửa sổ trong suốt của vật liệu EIT đã và đang được các nhà khoa học quan tâm hiện nay. Một trong các giải pháp đã được nhiều nhà khoa học đề xuất là sử dụng các hệ nguyên tử có các trạng thái siêu tinh tế gần nhau [26], [43], [45], [46], chẳng hạn như các nguyên tử kim loại kiềm. Khi đó, một trường laser có thể liên kết được đồng thời nhiều dịch chuyển siêu tính tế gần nhau nên có thể tạo được nhiều cửa sổ trong suốt.
2 Bên cạnh hiệu ứng EIT, kỹ thuật phổ phân giải siêu cao có thể giúp chúng ta dễ dàng quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino (còn gọi là hiệu ứng quang-từ). Hiệu ứng này được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà bác học Faraday khi chiếu ánh sáng qua một môi trường rắn và môi trường tinh thể lỏng [47], [48]. Sau đó hai nhà bác học Macaluso-Corbino đã quan sát hiệu ứng quay mặt phẳng phân cực của chùm sáng truyền qua môi trường khí nguyên tử và cho thấy sự phụ thuộc góc quay vào tần số, cường độ chùm laser [49], [50]. Gần đây, hiệu ứng quang-từ cũng nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu [51]–[54] do nó có nhiều ứng dụng hữu ích chẳng hạn như điều biến ánh sáng, từ kế siêu nhạy [55]–[57], v.v. Ở nước ngoài, gần đây đã có một số nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng EIT/EIA đa cửa sổ trong suốt. Chẳng hạn, năm 2014 Kang Ying và đồng nghiệp đã quan sát được bảy cửa sổ EIT trong nguyên tử Rubi cấu hình chữ V khi cho hai chùm laser bơm và dò cùng chiều nhau [45]. Năm 2015, Dipankar Bhattacharyya và đồng nghiệp đã quan sát được năm đỉnh hấp thụ cảm ứng lọc lựa vận tốc (EIA), trong nguyên tử Rubi cấu hình lambda sáu mức năng lượng [58]. Sau đó, Bo-Xun Wang và đồng nghiệp đã tích hợp thêm giao thoa kế Mach-Zehnder để quan sát chiết suất nhóm của môi trường nguyên tử khí Rb [26]. Năm 2017, Khairul Islam cùng đồng nghiệp đã quan sát sáu đỉnh hấp thụ EIA, trong hệ nguyên tử năm mức chữ V của nguyên tử Rb [59]. Các kết quả quan sát thực nghiệm trong các công trình trên phù hợp tốt với mô hình lý thuyết. Tuy nhiên, các tín hiệu phổ thu được chưa thực sự rõ nét và các sự khảo sát khác chưa được khai thác. Ở trong nước, bên cạnh các thành công trong nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng EIT và các ứng dụng liên quan, nhóm nghiên cứu chúng tôi cũng đã xây dựng thành công một hệ thí nghiệm quan sát phổ trong suốt cảm ứng điện từ của khí nguyên tử Rb ở nhiệt độ phòng [23], [60]. Ưu điểm của hệ thí nghiệm này là đã quan sát được phổ EIT và phổ tán sắc của EIT với ba cửa sổ trong suốt rất rõ nét (độ trong suốt đạt gần 100%). Tuy nhiên, hệ thí nghiệm này cũng có nhược điểm là lắp đặt dàn trải và chưa linh động, độ ổn định chưa cao nên một số vạch phổ EIT chưa quan sát được và khó thực hiện được các thí nghiệm liên quan đòi hỏi độ nhạy cao như phi tuyến Kerr và lưỡng ổn định quang. Vì vậy, thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm phổ phân giải cao có kích thước nhỏ gọn, tính ổn định cao, giá thành thấp, tích hợp nghiên cứu được nhiều tính chất quang nguyên tử và các ứng dụng liên quan đang là mong muốn của các nhóm nghiên cứu trong nước và trên thế giới. Với mong muốn xây dựng một hệ thí nghiệm như vậy, chúng tôi lựa chọn đề tài “Xây dựng hệ nghiên cứu tính chất quang của nguyên tử Rubi” làm luận án tiến sĩ. Trong hệ thí nghiệm này, chúng tôi sử dụng môi trường khí nguyên tử Rubi vì các lí do sau: Thứ nhất, cấu trúc mức năng lượng của nguyên tử Rubi có các tần số dịch chuyển phù hợp với các tần số của các laser diode được sử dụng rộng rãi trên thị trường; Thứ hai, nguyên tử Rubi thuộc nhóm kim loại kiềm có một điện tử ở lớp ngoài cùng nên có cấu trúc các mức năng lượng đơn giản và khoảng cách tần số giữa các mức năng lượng tương đối gần nhau. Do đó, chỉ cần sử dụng một chùm laser cũng dễ dàng liên kết được nhiều dịch chuyển lân cận; Thứ ba, nguyên tử Rubi dễ dàng chuyển sang thể khí ngay tại nhiệt độ phòng do đó dễ tạo mẫu.
3 2. Mục tiêu nghiên cứu Thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm phổ phân giải cao, có kích thước nhỏ gọn, tính ổn định cao, giá thành thấp, tích hợp nhiều phép đo phổ phân giải siêu cao khác nhau. Từ đó, sử dụng hệ thí nghiệm để nghiên cứu các tính chất quang của môi trường khí nguyên tử Rubi. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đặt ra, nội dung của luận án tập trung các vấn đề sau: - Tìm hiểu các hệ thí nghiệm liên quan trong nước và ngoài nước, nắm được các ưu, nhược điểm của các hệ thí nghiệm hiện có. Từ đó, đề xuất thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm đa năng có thể khảo sát được nhiều tính chất quang của môi trường khí nguyên tử dựa trên hiệu ứng EIT. - Xây dựng quy trình thực hiện các phép đo phổ của nguyên tử Rubi. - Định hướng phát triển hệ thí nghiệm nghiên cứu các ứng dụng liên quan. 4. Phương pháp nghiên cứu - Lý thuyết Chúng tôi dựa vào các nguyên lý đo phổ phân giải cao như: Phổ hấp thụ và tán sắc bão hoà, phổ bơm chọn lọc vận tốc, phổ trong suốt cảm ứng điện từ, v.v. Đồng thời, dựa các nguyên lý đo các hiệu ứng liên quan như chiết suất nhóm, hệ số phi tuyến Kerr, lưỡng ổn định quang, v.v. Dựa vào lý thuyết bán cổ điển và hình thức luận ma trận mật độ để xây dựng các mô hình lý thuyết mô phỏng các kết quả nghiên cứu. - Thực nghiệm + Phát triển hệ thí nghiệm đã có, xây dựng một hệ thí nghiệm có thể thực hiện được nhiều phép đo để nghiên cứu tính chất quang của môi trường khí nguyên tử Rubi. + Từ dữ liệu thu được của các phép đo, chúng tôi sử dụng các phần mềm xử lý số liệu để đưa ra được đường thực nghiệm, qua đó phân tích sự thay đổi tính chất quang của môi trường theo các tham số laser điều khiển. 5. Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận án có ba chương được trình bày như sau: Chương I. Các nguyên lý đo phổ phân giải cao Trong chương này, chúng tôi trình bày các nguyên lý đo phổ phân giải cao để làm cơ sở cho việc xây dựng hệ thí nghiệm nghiên cứu tính chất quang nguyên tử. Ở đây, chúng tôi cũng trình bày nguyên lý khảo sát một số ứng dụng của hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ, để định hướng xây dựng một hệ thí nghiệm toàn diện trong khuôn khổ luận án. Chương II. Xây dựng hệ thí nghiệm nghiên cứu tính chất quang của môi trường nguyên tử
4 Trong chương này, trên cơ sở một số hệ thí nghiệm về phổ nguyên tử đã công bố trong những năm gần đây, thông qua phân tích các ưu nhược điểm của các hệ thí nghiệm đã có. Chúng tôi xây dựng hệ thí nghiệm đa chức năng, nhỏ gọn, có tính ổn định và độ nhạy cao và có thể khảo sát được các tính chất quang. Dựa vào các thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm, thiết kế và xây dựng hệ thí nghiệm đo phổ nguyên tử bao gồm phổ hấp thụ bão hòa, tán sắc bão hòa, phổ bơm chọn lọc vận tốc, v.v. Chương III. Nghiên cứu các tính chất quang của khí nguyên tử Trong chương này, chúng tôi tiến hành thực hiện các phép đo phổ nghiên cứu tính chất quang của môi trường dựa trên hệ thí nghiệm đã xây dựng. Đồng thời, tiến hành khảo sát các mô hình phép đo ứng dụng của tính chất quang môi trường. Qua đó, đưa ra các thông số và sơ đồ nguyên lý phép đo, cũng như các thiết bị cần thiết bổ sung để phát triển hệ thí nghiệm đã xây dựng. Chương I CÁC NGUYÊN LÝ ĐO PHỔ PHÂN GIẢI CAO Trong chương này, chúng tôi trình bày các nguyên lý đo phổ phân giải cao như phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc, phổ bơm chọn lọc vận tốc, phổ trong suốt cảm ứng điện từ và tán sắc, chiết suất nhóm và phi tuyến Kerr cũng như các hiệu ứng liên quan như lưỡng ổn định và chuyển mạch toàn quang. Những nội dung trình bày trong chương này là cơ sở lý thuyết cho việc xây dựng hệ thí nghiệm tích hợp nghiên cứu các tính chất quang nguyên tử, sẽ được thực hiện trong chương 2. 1.1. Nguyên lý đo phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc bão hòa 1.2. Nguyên lý đo phổ bơm chọn lọc vận tốc Hệ đo phổ bơm chọn lọc vận tốc sử dụng hai chùm laser lan truyền ngược chiều nhau như trên Hình 1.6. Chùm laser thứ nhất có cường độ yếu gọi là laser dò (DL1). Tần số của laser dò được khóa tại giá trị gần với tần số dịch chuyển cộng hưởng của miền phổ cần khảo sát. DL2 DL1 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý đo phổ bơm chọn lọc vận tốc. Khi laser bơm quét qua 6 giá trị tần số này, các nhóm nguyên tử sẽ tương ứng sẽ chuyển về trạng thái bão hòa nên hệ số hấp thụ đối với chùm dò giảm. Điều này dẫn đến xuất hiện 6 thời điểm cường độ chùm dò tăng lên do đó tín hiệu thu được sẽ là 6 vạch phổ như trong Hình 1.8. Đối với nguyên tử 85Rb, khoảng cách giữa các cửa sổ từ trái sang phải lần lượt là 63,40 MHz; 63,40 MHz; 57,24 MHz; 63,40 MHz; 120,64 MHz.
5 Hình 1.2 Phổ bơm chọn lọc vận tốc của nguyên tử 85Rb 1.3. Nguyên lý đo phổ trong suốt cảm ứng điện từ 1.4. Hiệu ứng Macaluso-Corbino Hiệu ứng Macaluso-Corbino là sự quay mặt phẳng phân cực của chùm sáng, khi nó truyền qua môi trường khí có tồn tại từ trường ngoài với véctơ cảm ứng từ cùng phương truyền. Công thức biểu diễn mối liên hệ giữa góc quay mặt phẳng phân cực  và từ trường dạng: 4 0l  L   2   2 / 4   2  L   2 (1.26) c   2   2 / 4   2    2  2  L Hình 1.13a biểu diễn sự phụ thuộc góc quay quang-từ  vào độ lệch tần chuẩn hóa (/) và từ trường chuẩn hóa (L/). Từ Hình 1.13b, chúng ta nhận thấy góc quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng truyền qua thay đổi nhiều nhất ở lân cận giải tần số số cộng hưởng của các dịch chuyển và đạt giá trị cực đại tại tần số cộng hưởng. Ở xa tần miền số cộng hưởng không quan sát thấy sự quay mặt phẳng phân cực. Trên Hình 1.13c cho thấy khi giá trị của từ trường chuẩn hóa nhỏ, góc quay phân cực tỉ lệ thuận với độ lớn của từ trường chuẩn hóa L/, ngoài ra chiều quay mặt phẳng phân cực còn phụ thuộc vào hướng của từ trường.
6 Hình 1.3 Sự phụ thuộc góc quay quang-từ  vào độ lệch tần và từ trường chuẩn hóa (a). Sự phụ thuộc của góc quay quang từ vào: (b) độ lệch tần chuẩn hóa (/) khi L/ = 0.1 và (c) từ trường chuẩn hóa (L/) khi / = 0. 1.5. Một số ứng dụng của môi trường EIT 1.5.1. Đo vận tốc nhóm ánh sáng 1.5.2. Phi tuyến Kerr khổng lồ 1.5.3. Lưỡng ổn định quang 1.6. Nguyên tử Rubi (Rubidium) Chương II XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ Trong chương này, chúng tôi tìm hiểu tổng quan một số hệ đo phổ nguyên tử đã có và phân tích các ưu, nhược điểm của các hệ. Trên cơ sở đó, chúng tôi thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm nhỏ gọn, tích hợp nhiều phép đo phổ khác nhau ngay tại Trường Đại học Vinh. Sự thiết kế phải đảm bảo được sự linh động và dễ dàng thao tác chuyển đổi qua lại giữa các phép đo khác nhau. Hệ tích hợp cũng cần đảm bảo tính chính xác và ổn định trong các phép đo. 2.1. Một số hệ đo phổ nguyên tử hiện nay 2.1.1. Hệ thí nghiệm hấp thụ bão hoà của hãng Thorlabs
7 2.1.2. Hệ thí nghiệm của hãng Teachspin 2.1.3. Hệ thí nghiệm EIT cấu hình chữ V bơm-dò cùng chiều 2.1.4. Hệ thí nghiệm đo chiết suất nhóm ánh sáng 2.1.5. Thí nghiệm EIT tại trường Đại học Vinh 2.2. Xây dựng hệ thí nghiệm phân giải cao đa năng 2.2.1. Nguyên lý chung Trên cơ sở phân tích các ưu, nhược điểm của các hệ thí nghiệm đo phổ nguyên tử ở trên, chúng tôi thiết kế và xây dựng một hệ thí nghiệm có thể tích hợp được nhiều phép đo phổ. Hệ thí nghiệm tích hợp phải đảm bảo được các yêu tố sau: + Quang trình đường đi của các chùm sáng nhỏ, giảm thiểu được nhiễu của môi trường. + Đa chức năng, có thể chuyển đổi linh hoạt giữa các phép đo. + Nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển. Hệ thí nghiệm gồm ba phần chính có sơ đồ khối như Hình 2.13:  Bộ phận quang học: Phần đầu tiên là hệ quang học gồm các thiết bị quang được đặt trên mặt bàn có kích thước 45 cm x 60 cm.  Bộ phận điện tử: gồm ba module điều khiển. Module 1 điều khiển nguồn laser DL1 của hãng Teachspin, module 2 điều khiển nguồn laser DL2 của hãng Moglabs và module 3 điều khiển nhiệt độ của hãng Thorlabs. Hình 2.1 Sơ đồ khối bệ thí nghiệm tích hợp nhỏ gọn.  Bộ phận hiển thị và lưu trữ số liệu: Các tín hiệu thu được trên ba Photodetector được kết nối với dao động ký điện tử của hãng Tektronix. Ở đây các dữ liệu được ghi lại bằng hình ảnh và các dữ liệu số. Sơ đồ bố trí các bộ phận quang học trên một mặt bàn quang học được mô tả như trên Hình 2.14. Ở đây, vị trí của các thiết bị quang được bố trí sao cho có thể thực hiện linh hoạt giữa các phép đo phổ khác nhau.
8 Hình 2.2 Sơ đồ bố trí các thiết bị quang trên bề mặt quang học của hệ nghiên cứu tính chất quang. M1 – M7: gương phản xạ; S1 – S3: bộ khóa chùm; ND1 – ND3: bộ lọc trung hòa; BS1 – BS6: bản tách chùm; FPI: Giao thoa kế Fabry- Pérot; MZI: Giao thoa kế Mach-Zehnder; P1 – P2: Kính phân cực; PD1 – PD3: Đầu thu quang; DL: Laser diode; IS: bộ cách ly quang học. Hệ có thể sử dụng để quan sát phổ hấp thụ, phổ tán sắc, phổ hấp thụ bão hòa, phổ tán sắc bão hòa, phổ hấp thụ và phổ tán sắc khi có mặt hiệu ứng EIT trong trường hợp có đồng thời cả hai chùm bơm cùng chiều và ngược chiều, sự thay đổi của phương phân cực chùm sáng khi truyền qua môi trường khí nguyên tử. 2.2.2. Bộ phận quang học Hình 2.3 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên bề mặt quang học của hệ thí nghiệm. 2.2.3. Bộ phận điều khiển 2.2.4. Bộ phận hiển thị 2.3. Sơ đồ nguyên lý các phép đo phổ của hệ thí nghiệm
9 2.3.1. Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ và phổ tán sắc Hình 2.4 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ. Hình 2.5 Sơ đồ quang học quan sát phổ tán sắc. 2.3.2. Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc bão hòa
10 Hình 2.6 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hòa. Hình 2.7 Sơ đồ quang học quan sát phổ tán sắc bão hòa. 2.3.3. Sơ đồ quang học quan sát EIT cấu bình bơm-dò ngược chiều
11 Hình 2.8 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình chùm dò và chùm bơm ngược chiều. 2.3.4. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình bơm dò cùng chiều Hình 2.9 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình chùm dò và chùm bơm cùng chiều. 2.3.5. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT hai chùm bơm
12 Hình 2.10 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. 2.3.6. Sơ đồ quang học quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino Chương III NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA KHÍ NGUYÊN TỬ Trong chương này, chúng tôi thực hiện các phép đo phổ nguyên tử Rb với hệ thí nghiệm đã được xây dựng trong chương 2. Trình bày chi tiết các quy trình đo phổ, xử lý số liệu phổ và xây dựng mô hình lý thuyết để giải thích các kết quả thu được. Đồng thời, có đánh giá so sánh với các kết quả từ các hệ thí nghiệm đã được công bố. Trên cơ sở các kết quả đo phổ, chúng tôi cũng đề xuất một số hướng phát triển của hệ thí nghiệm sẽ được thực hiện trong thời gian tới. 3.1. Khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc 3.1.1. Quy trình đo Sơ đồ quang học dùng để khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc được mô tả trong Hình 2.33 và Hình 2.34. Khi thực hiện đo phổ hấp thụ và phổ tán sắc của môi trường, chúng tôi sử dụng hệ laser DL1 của hãng TeachSpin. Do tần số của đầu 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 thấy tín hiệu laser sáng- tối theo quy luật thể hiện laser đã phát. Trong trường hợp thấy cường độ chùm laser không thay đổi, thể
13 hiện buồng cộng hưởng laser chưa thỏa mãn điều kiện cộng hưởng để phát laser, 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 tôi đã lắp ráp ổn định, thông thường quá trình này không cần phải thực hiện lại). Bước 2: Tăng cường độ dòng điện cấp cho đầu phát laser DL1 lên 5,26 mA, khi này bước sóng của laser sẽ thay đổi đến trong khoảng 780,24 nm, dùng CCD camera 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 camera là một đường sáng nhấp nháy liên tục. Bước 3: Khi đã quan sát thấy xuất hiện phổ huỳnh quang của môi trường ứng với bước sóng 780.24 nm, 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 quét tần số của laser đến giá trị 10 GHz. Bước 4: Điều chỉnh các nhánh của giao thoa kế 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 chúng tôi đã lập luận đưa ra trong mục 1.1. Bước 5: Điều chỉnh cường độ của chùm laser. Đối với chùm laser dò, chúng ta phải điều chỉnh cường độ chùm laser nhỏ hơn cường độ bão hòa Isat = 2 mW/cm2, trong thiết lập này chúng tôi luôn điều khiển chùm laser dò xuống dưới 0,1 mW/cm2 để tránh hiệu ứng tự hội tụ của chùm tia. Bước 6: Kết nối Photodetector với dao động ký điện tử. Trong hệ 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 dò. 3.1.2. Phổ hấp thụ và tán sắc 3.2. Khảo sát phổ hấp thụ bão hoà và tán sắc bão hoà 3.2.1. Quy trình đo 3.2.2. Phổ hấp thụ bão hoà và tán sắc bão hoà Hình 3.1 Phổ hấp thụ bão hòa (a) và phổ tán sắc bão hòa (b). 85 87 Kết quả phép đo phổ tán sắc bão hòa của các nguyên tử của Rb và của Rb, được mô tả như trong Hình 3.2. Chúng ta thấy trên đường tán sắc, tại vị trí các vạch phổ hấp thụ bão hòa xuất hiện thêm các miền tán sắc thường. Các miền tán sắc thường xuất hiện trên nền các đường tán sắc dị
14 thường. Độ dốc của đường tán sắc tại vị trí các dịch chuyển siêu tinh tế tăng, do đó chiết suất của môi trường được tăng cường. 3.3. Khảo sát phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dò ngược chiều 3.3.1. Quy trình đo phổ EIT và tán sắc EIT 3.3.2. Phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dò ngược chiều Hình 3.2 Phổ hấp thụ và tán sắc của nguyên tử 85Rb khi có mặt hiệu ứng EIT trường hợp cường độ chùm dò bằng 0,07 mW/cm2, cường độ chùm laser liên kết 3 mW/cm2 (a), phổ tán sắc của khí nguyên tử 85Rb khi giảm tần số laser liên kết, toàn bộ các miền tán sắc dịch chuyển sang trái 68 MHz (b). Phổ EIT và tán sắc EIT thu được như Hình 3.7. Kết quả phép đo cho thấy, hệ số hấp thụ và chiết suất của môi trường phụ thuộc vào cường độ và tần số của laser bơm. Chúng ta có thể thu được tối đa 6 miền tán sắc thường trong miền tán sắc dị thường. Kết quả đo được phù hợp với các kết quả đo trước đây. 3.4. Khảo sát phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dò cùng chiều 3.4.1. Quy trình đo 3.4.2. Phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dò cùng chiều. Chúng ta thấy rằng, trên đường Doppler, xuất hiện 7 cửa sổ EIT trong đó có ba cửa sổ có cường độ lớn nhất ứng với dịch chuyển từ phải sang lần lượt là 5S1/2 (F=3)→5P3/2 (F’=4) của nhóm nguyên tử liên kết với 5S1/2 (F = 3) → 5P3/2 (F’ = 2); 5S1/2 (F = 3)→5P3/2 (F’ = 4) của nhóm nguyên tử liên kết với 5S1/2 (F = 3) → 5P3/2 (F’ = 3) và 5S1/2 (F = 3) → 5P3/2 (F’ = 3) của nhóm nguyên tử liên kết với 5S1/2 (F = 3) → 5P3/2 (F’ = 2).
15 Hình 3.3 Phổ hấp thụ (1) và phổ tán sắc (2) của nguyên tử 85Rb khi có mặt hiệu ứng EIT. 3.5. Phổ bơm chọn lọc vận tốc 3.5.1. Quy trình đo 3.5.2. Đo phổ bơm chọn lọc vận tốc Trong trường hợp chùm laser bơm ngược chiều với laser dò, hình ảnh phổ thu được như Hình 3.9. Ở đây, trong trường hợp chùm laser bơm ngược chiều với chùm laser dò, số vạch phổ thu được được là 6. Khoảng cách giữa các vạch phổ lần lượt là 63,41  1,12 MHz; 63,42  1,12 MHz; 57,36  1,12 MHz; 63,39  1,12 MHz; 120,60  1,12 MHz. Hình 3.4 Tín hiệu phổ bơm chọn lọc vận tốc của nguyên tử 85Rb chùm bơm ngược chiều chùm dò. Đối chiếu kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết như đã trình bày trong mục 1.2 chúng ta thấy rằng vị trí của các vạch phổ phù hợp với mô hình lý thuyết đã đưa ra. Cường độ vạch phổ ứng với hai dịch
16 chuyển thứ bốn và thứ năm lớn nhất do sự chồng chập tăng cường sự trong suốt cảm ứng điện từ của hai nhóm nguyên tử B, C và A, C. 3.6. Khảo sát phổ EIT cấu hình hai chùm bơm ngược chiều nhau 3.6.1. Quy trình đo 3.6.2. Phổ EIT hai chùm bơm cùng chiều và ngược chiều với chùm dò Trong thí nghiệm này, chúng tôi đo phổ hấp thụ khi có mặt hiệu ứng EIT bằng cách sử dụng hai chùm laser bơm. Hai chùm này được tách ra từ laser DL2 truyền ngược chiều nhau. Cố định tần số laser DL2 tại dịch chuyển có độ lệch  = 100 MHz so với dịch chuyển F = 3  F = 2 về miền đỏ. Điều chỉnh cường độ của hai chùm laser về giá trị 2 mW/cm2, tín hiệu thu được biểu diễn như trong Hình 3.10. Trong Hình 3.10a cho thấy tín hiệu chùm laser dò có dạng Gauss, có 13 cửa sổ EIT trên đường mở rộng Doppler ứng với dịch chuyển 52S1/2 (F = 3) → 52P3/2 (F’ = 2, 3, 4) của sáu nhóm nguyên tử chuyển động nhiệt với vận tốc khác nhau. Hình 3.5 Phổ EIT của 13 cửa sổ trên đường Doppler của nguyên tử 85Rb. a) thí nghiệm, b) lý thuyết. Để giải thích kết quả thí nghiệm, chúng tôi sử dụng mô hình hệ bốn mức năng lượng, cấu hình chữ V. Số dịch chuyển được xác định theo giản đồ các mức năng lượng như trên Hình 3.11, ta xét số dịch chuyển theo hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất, chùm bơm cùng chiều với chùm dò, chùm bơm liên kết với ba dịch chuyển |1  |2, |1  |3 và |1  |4 ứng với ba nhóm nguyên tử A, B, C. Do hiệu ứng Doppler, chùm dò sẽ có ba giá trị tần số cộng hưởng với mỗi nhóm nguyên tử. Tuy nhiên có một giá trị tần số của chùm dò cộng hưởng với cả ba nhóm nguyên tử, nên chúng ta thu được 7 giá trị tần số chùm dò cộng hưởng với cả ba nhóm nguyên tử. Nhóm A:  p1 = 12 - c2 = c, A (3.3)  p 2 = 13 - c2 = 13 - 12 + c, A (3.4)
17  p 3 = 14 - c2 = 14 - 12 + c. A (3.5) Nhóm B:  p1 = 12 - c3 = 12 - 13 + c, B (3.6)  p 2 = 13 - c 3 = c, B (3.7)  p 3 = 14 - c3 = 14 - 13 + c. B (3.8) Nhóm C:  C1 = 12 - c4 = 12 - 14 + c, p (3.9)  C2 = 13 - c4 = 13 - 14 + c, p (3.10)  C3 = 14 - c4 = c. p (3.11) Trường hợp thứ hai: chùm bơm ngược chiều với chùm dò, chùm bơm liên kết với ba dịch chuyển |1  |2, |1  |3 và |1  |4 ứng với ba nhóm nguyên tử D, E, H. Do hiệu ứng Doppler, chùm dò sẽ có ba giá trị tần số cộng hưởng với mỗi nhóm nguyên tử. Tuy nhiên, có ba giá trị tần số trùng nhau của ba nhóm nguyên tử, nên chúng ta chỉ thu được 6 giá trị tần số chùm dò cộng hưởng với cả ba nhóm nguyên tử. Nhóm D:  p1 = 12 + c2 = 212 - c, D (3.12)  p 2 = 13 + c2 = 13 + 12- c, D (3.13)  p 3 = 14 + c2 = 14 + 12 - c. D (3.14) Nhóm E:  p1 = 12 + c3 = 12 + 13 - c, E (3.15)  p 2 = 13 + c3 = 213 - c, E (3.16)  p 3 = 14 + c3 = 14 + 13 - c. E (3.17) Nhóm H:  p1 = 12 + c4 = 12 + 14 - c, H (3.18)  p 2 = 13 + c4 = 13 + 14 - c, H (3.19)
18  p 3 = 14 + c4 = 214 - c. H (3.20) Do đó, chúng ta thu được 13 cửa sổ EIT khi thay đổi tần số laser dò như kết quả mô phỏng trong Hình 3.10b (xem phục lục B). Kết quả thí nghiệm thu được vị trí các cửa sổ EIT tương ứng với các dịch chuyển như trong Bảng 3.1 (xem chi tiết trong luận án). 3.7. Khảo sát phổ hấp thụ cảm ứng điện từ (EIA) cấu hình bơm – dò ngược chiều 3.7.2. Phổ EIA cấu hình bơm-dò ngược chiều Kết quả thu được tín hiệu phổ EIA như trên Hình 3.12. Hình 3.6 Phổ hấp thụ khi có mặt hiệu ứng EIA ứng với dịch chuyển 52S1/2(F = 1)  52P3/2(F = 0, 1, 2) của nguyên tử 87Rb. Chúng ta thấy trên nền hấp thụ xuất hiện năm vị trí EIA, mô hình giải thích sự hình thành các vị trí EIA được biểu diễn như trong Hình 3.13. Khi dịch chuyển tần số chùm laser bơm một lượng 169,90  1,12 MHz, tín hiệu phổ chùm dò thu được cho thấy khi tăng tần số chùm laser bơm 169,90  1,12 MHz, tín các đỉnh hấp thụ cộng hưởng dịch sang phải một lượng như nhau và bằng 169,90  1,12 MHz. Hình ảnh phổ chùm laser dò khi thay đổi tần số laser bơm được biểu diễn như trong Hình 3.12b. Hệ số hấp thụ của môi trường phụ thuộc vào tần số của laser dò và laser bơm. Khi laser bơm được khóa tại tần số c gần dịch chuyển 52S1/2(F = 2)  52P3/2(F = 2), hệ số hấp thụ của môi trường tăng cường tại năm giá trị tần số p1, p2, p3, p4, p5 như đã đưa ra trong biểu thức (3.26) đến (3.30). 3.8. Khảo sát hiệu ứng Macaluso-Corbino 3.8.1. Quy trình đo 3.8.2. Hiệu ứng Macaluso-Corbino (MC)