Luận án Phổ hấp thụ và phổ tán sắc của môi trường khí nguyên tử 85rb khi có mặt hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ====== LÊ CẢNH TRUNG PHỔ HẤP THỤ VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA MÔI TRƯỜNG KHÍ NGUYÊN TỬ 85Rb KHI CÓ MẶT HIỆU ỨNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62.44.01.09 NGHỆ AN, 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH ====== LÊ CẢNH TRUNG PHỔ HẤP THỤ VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA MÔI TRƯỜNG KHÍ NGUYÊN TỬ 85Rb KHI CÓ MẶT HIỆU ỨNG TRONG SUỐT CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÍ Chuyên ngành: QUANG HỌC Mã số: 62.44.01.09 Người hướng dẫn khoa học: GS. TS. Đinh Xuân Khoa NGHỆ AN, 2017 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 NGƯT.GS.TS. Đinh Xuân Khoa. Các kết quả trong luận án được tiến hành tại Trường Đại học Vinh. Các kết quả này trung thực và được công bố trên các tạp chí chuyên ngành ở trong nước và quốc tế. Tác giả luận án Lê Cảnh Trung LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của NGƯT. GS.TS. Đinh Xuân Khoa. Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đến quí thầy giáo đã dẫn dắt tận tình và động viên trong quá trình thực hiện với tấm lòng hết mực của người thầy và tinh thần đầy trách nhiệm khoa học của các nhà nghiên cứu đã giúp tôi nâng cao kiến thức, nghị lực, phát huy sáng tạo và hoàn thành được luận án. Chúng tôi xin cảm ơn sâu sắc đến quí thầy cô giáo trong ngành Vật lý, phòng Sau đại học của 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 chúng tôi học tập và thực hiện nghiên cứu khoa học tại trường. Tôi cũng xin được cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Vinh đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho việc học tập và nghiên cứu luận án trong những năm qua. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, những người thân và bạn bè đã quan tâm, động viên và giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận án này. i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................................ ix 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 ................................................................................. 6 5. Bố cục luận án................................................................................................... 7 Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HIỆU ỨNG EIT .................................................... 9 1.1. Hình thức luận ma trận mật độ .................................................................... 9 1.2. Tương tác giữa hệ nguyên tử hai mức với trường ánh sáng ..................... 11 1.3. Các quá trình phân rã ................................................................................. 13 1.3.1. Quá trình phân rã do phát xạ tự phát ....................................................... 14 1.3.2. Quá trình phân rã do va chạm ................................................................. 14 1.4. Phương trình Liouville khi có các phân rã ................................................. 15 1.5. Sự giam cầm độ cư trú kết hợp ................................................................... 16 1.6. Sự trong suốt cảm ứng điện từ .................................................................... 18 1.7. Một số ứng dụng của hiện ứng EIT ............................................................ 21 1.7.1. Làm chậm và lưu trữ ánh sáng ................................................................ 21 1.7.2. Phát laser khi không đảo lộn độ cư trú .................................................... 23 1.7.3. Tăng cường phi tuyến Kerr ..................................................................... 24 1.7.4. Tạo môi trường có chiết suất âm ............................................................. 26 1.7.5. Từ kế ...................................................................................................... 27 1.7.6. Nhận biết các đồng vị ............................................................................. 28 1.8. Sự hấp thụ bão hòa ...................................................................................... 28 1.8.1. Nguyên lý phổ hấp thụ bão hòa............................................................... 28 1.8.2. Hiệu ứng hấp thụ bão hòa chéo ............................................................... 32 ii Kết luận chương 1 ...................................................................................................................... 33 Chương 2 XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM ĐO PHỔ EIT VÀ PHỔ TÁN SẮC CỦA MÔI TRƯỜNG KHÍ NGUYÊN TỬ 85Rb .............................................................. 34 2.1. Sơ đồ hệ thí nghiệm đo phổ EIT và tán sắc ............................................... 34 2.2. Hệ laser dò ................................................................................................... 38 2.2.1. Nguồn laser dò ........................................................................................ 38 2.2.2. Bộ điều khiển laser dò ............................................................................ 39 2.3. Hệ laser bơm ................................................................................................ 40 2.3.1. Nguồn laser bơm [57] ............................................................................. 40 2.3.2. Bộ điều khiển laser bơm ......................................................................... 41 2.4. Các thiết bị và đầu thu quang ..................................................................... 43 2.4.1. Đầu thu quang ........................................................................................ 43 2.4.2. Máy đo bước sóng ánh sáng.................................................................... 45 2.4.3. Bản nửa bước sóng và phần tư bước sóng ............................................... 46 2.4.4. Giao thoa kế Farby-Perot [56] ................................................................ 47 2.5. Nguyên tử Rb ............................................................................................... 49 2.5.1. Buồng mẫu nguyên tử Rb ....................................................................... 49 2.5.2. Các tính chất vật lí của nguyên tử 85Rb ................................................... 50 2.5.3. Cấu trúc tinh tế và siêu tinh tế của 85Rb .................................................. 52 2.6. Giao thoa kế Mach – Zehnder .................................................................... 54 Kết luận chương 2 ...................................................................................................................... 58 3.1 Các bước tiến hành khảo sát phổ hấp thụ của môi trường khí nguyên tử Rb ................................................................................................................... 59 3.1.1 Các bước tiến hành khảo sát phổ hấp thụ bão hòa .................................... 59 3.1.2 Các bước tiến hành khảo sát phổ hấp thụ khí có mặt hiệu ứng EIT .......... 59 3.2. Phổ hấp thụ bão hòa của nguyên tử Rb ..................................................... 61 iii 3.3 Phổ hấp thụ của môi trường khí nguyên tử 85Rb khi có mặt hiệu ứng EIT ...................................................................................................................... 68 3.3.1 Ảnh hưởng của cường độ laser bơm ........................................................ 68 3.3.2 Ảnh hưởng của tần số laser bơm .............................................................. 73 3.3.3 Ảnh hưởng của mở rộng Doppler ............................................................ 75 Chương 4 KHẢO SÁT PHỔ TÁN SẮC CỦA MÔI TRƯỜNG KHÍ NGUYÊN TỬ Rb ............................................................................................................................................ 80 4.1 Các bước tiến hành khảo sát phổ hấp thụ của môi trường khí nguyên ..... 80 4.1.1 Các bước tiến hành khảo sát phổ hấp thụ bão hòa .................................... 80 4.1.2 Các bước tiến hành khảo sát phổ hấp thụ khí có mặt hiệu ứng EIT .......... 81 4.2 Phổ tán sắc khi có bão hòa ........................................................................... 82 4.3 Phổ tán sắc khi có mặt hiệu ứng EIT .......................................................... 87 4.3.1. Ảnh hưởng của cường độ laser bơm ....................................................... 88 4.3.2. Ảnh hưởng của tần số laser bơm ............................................................. 91 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ................................................................................... 93 Chương 5 ...................................................................................................................................... 94 MÔ HÌNH LÝ THUYẾT GIẢI THÍCH CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ....... 94 5.1. Cấu hình kích thích ..................................................................................... 94 5.2. Mô hình lý thuyết ........................................................................................ 96 5.2.1. Hệ phương trình ma trận mật độ ............................................................. 96 5.2.2. Biểu thức hệ số hấp thụ và tán sắc ........................................................ 103 5.3. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả giải tích .................................. 108 5.4. Độ sâu và độ rộng của các cửa sổ EIT ...................................................... 112 5.4.1. Độ sâu của các cửa sổ EIT .................................................................... 112 5.4.2. Độ rộng của các cửa sổ EIT .................................................................. 113 KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 ...................................................................................................... 116 KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................................. 117 iv CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ .................................................... 119 CÁC BÁO CÁO TRÌNH BÀY TẠI HỘI THẢO KHOA HỌC .......................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 121 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TIẾNG ANH DÙNG TRONG LUẬN ÁN Giải thích nghĩa EIT Electromagnetically Induced Transparency – Sự trong suốt cảm ứng điện từ. CPT Coherence Population Trapping – Sự bẫy độ cư trú kết hợp. LWI Lasing Without Inversion – Sự phát laser không có nghịch đảo độ cư trú. TOC Transfer of Coherence – Sự di chuyển độ kết hợp. TOP Transfer of Population – Sự di chuyển độ tích lũy. vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Đơn vị Nghĩa anm không thứ nguyên Cường độ liên kết tỷ đối giữa các dịch chuyển của nguyên tử c 2.998  108 m/s Vận tốc ánh sáng trong chân không dnm C.m Mômen lưỡng cực điện của dịch chuyển n m E V/m Cường độ điện trường của chùm ánh sáng Ec V/m Cường độ điện trường chùm laser bơm 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 nguyên tử và trường ánh sáng I W/m2 Cường độ chùm sáng kB 1.38  10 -23 J/K Hằng số Boltzmann mRb 1.44  10 -25 kg Khối lượng của nguyên tử 87Rb n không thứ nguyên Chiết suất của môi trường N nguyên tử/m3 Mật độ nguyên tử R Hz Độ rộng của cửa sổ EIT P C/m2 Sự phân cực điện vĩ mô vii T K Nhiệt độ tuyệt đối u m/s Vận tốc căn quân phương của nguyên tử  m -1 Hệ số hấp thụ tuyến tính 0 1.26  10 -6 H/m Độ từ thẩm của chân không 0 8.85  10 -12 F/m Độ điện thẩm của chân không  không thứ nguyên Hằng số điện môi tỷ đối của vật liệu nm Hz Tần số góc của dịch chuyển nguyên tử c Hz Tần số góc của chùm điều khiển p Hz Tần số góc của chùm dò  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  Mật độ cư trú của hệ nguyên tử  Hz Tần số Rabi của trường ánh sáng  Hz Tần số Rabi hiệu dụng của trường ánh sáng c Hz Tần số Rabi của trường điều khiển p Hz Tần số Rabi của trường dò  Hz Độ lệch giữa tần số ánh sáng với tần số dịch chuyển nguyên tử viii c Hz Độ lệch giữa tần số ánh sáng bơm với dịch chuyển nguyên tử p Hz Độ lệch tần số của chùm dò  Hz Khoảng cách phổ giữa các dịch chuyển  % Độ sâu của cửa sổ EIT ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Các cấu hình kích thích ba mức năng lượng: bậc thang (a), lambda (b) và chữ V (c) dưới tác dụng của trường laser dò (có tần số p ) và laser điều khiển (tần số c ). . 2 Hình 2. Công tua hấp thụ (a) và công tua tán sắc (b) đối với trường laser dò khi không có (đường đứt nét) và có (đường liền nét) trường laser điều khiển [9]. .............................. 3 Hình 1.1. Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử hai mức năng lượng. ......................................... 11 Hình 1.2. Sơ đồ kích thích hệ nguyên tử ba mức năng lượng cấu hình lambda. .......... 16 Hình 1.3. Nguyên tử ba mức được kích thích bởi hai trường laser theo cấu hình lambda: (a) sự mô tả trạng thái nguyên tử trần và (b) sự mô tả trạng thái nguyên tử mặc [9]. ........................................................................................................................................... 19 Hình 1.4. Hai nhánh kích thích từ trạng thái cơ bản 1 tới trạng thái kích thích 3 , nhánh 1: kích thích trực tiếp 1 3 và nhánh 2: kích thích gián tiếp 1 3 2 3   . ................................................................................................................ 20 Hình 1.5. Công tua hệ số hấp thụ (đường liền nét) và hệ số tán sắc (đường đứt nét) khi có mặt trường laser điều khiển. ................................................................................................. 21 Hình 1.6. Đường thực nghiệm phi tuyến Kerr: đường chấm tròn ứng với khi chưa có EIT, đường chấm vuông là khi có EIT. .................................................................................. 26 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật phổ hấp thụ bão hòa. .................................................. 29 Hình 1.8. Công tua phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc khi được kích thích bởi bức xạ có tần số  [55]. ....................................................................................................................... 30 Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý phổ hấp thụ bão hòa: (a) công tua phổ hấp thụ của trường dò, (b) công tua phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc [55]. ............................................ 31 Hình 2.1. Sơ đồ quang học của hệ thí nghiệm đo phổ EIT và tán sắc. ............................ 34 Hình 2.2. Sơ đồ lắp đặt thống thí nghiệm đo phổ EIT và tán sắc ...................................... 38 Hình 2.3. Ảnh chụp đầu laser diode buồng cộng hương ngoài cấu hình Littrow [56]. 39 Hình 2.4. Bộ điều khiển laser diode của hãng TeachSpin [56]. ......................................... 40 x Hình 2.5a. Đầu Laser diode ECD – 003 [57]. ....................................................................... 41 Hình 2.5. Bộ điều khiển laser diode Moglabs DLC– 502 [57]. ........................................... 42 Hình 2.6. Đầu thu quang của hãng Moglabs [57] ............................................................... 43 Hình 2.7. Photo diode FDS010 của hãng Thorlabs được sử dụng làm đầu thu quang.44 Hình 2.8. Sơ đồ lắp đặt cho việc hoạt động của photodiode. ............................................... 45 Hình 2.9. Đầu thu quang sau khi lắp đặt được sử dụng để thu tín hiệu. ......................... 45 Hình 2.11. Cấu tạo và cơ chế quay mặt phẳng phân cực của bản /2. ............................ 47 Hình 2.12. Cấu tạo và cơ chế quay mặt phẳng phân cực của bản /4. ............................ 47 Hình 2.13.(a) Sơ đồ nguyên lý của giao thoa kế Fabry-Perot, (b) Giao thoa kế Fabry- Perot của hãng TeachSpin. ........................................................................................................ 48 Hình 2.14. (a) Biên độ của mode cộng hưởng trong giao thoa kế Fabry-Perot (b) Phân bố cường độ. .................................................................................................................................. 48 Hình 2.15. Tần số cộng hưởng lân cận của bộ cộng hưởng: (a) Bộ cộng hưởng dài 30cm (d = 30cm) với không khí giữa hai bản (n=1) có khoảng tần số giữa các mode MHzvF 500 và (b) Bộ cộng hưởng ngắn với d = 3 m có THzvF 50 . ........................ 49 Hình 2.16. Buồng mẫu nguyên tử Rb – CQ19075 của hãng Thorlabs. .......................... 50 Hình 2.17. Buồng mẫu nguyên tử Rb. .................................................................................... 50 Hình 2.18. Sơ đồ các mức năng lượng siêu tinh tế và các dịch chuyển D1 và D2 của nguyên tử nguyên tử 85Rb (a) và 87Rb (b) theo công trình [59]. ........................................ 53 Hình 2.19. Giao thoa kế Mach-Zehnder được sử dụng đo tán sắc của nguyên tử Rb. . 54 Hình 2.20. Công tua hấp thụ và tán sắc của khí nguyên tử trong lân cận cộng hưởng.56 Hình 3.1. Phổ hấp thụ của nguyên tử Rb ứng với dịch chuyển D2 ................................ 61 Hình 3.2. Phổ hấp thụ của nguyên tử 87Rb ứng với dịch chuyển 5S1/2 (F = 2) đến 5P3/2 (F’=1, 2 và 3) ................................................................................................................... 62 Hình 3.3. Phổ hấp thụ bão hòa của nguyên tử 87Rb (F = 2F = 1, 2 và 3) khi cho chùm laser bơm bào. ................................................................................................................... 63 xi Hình 3.4. Sơ đồ giải thích các dịch chuyển bão hòa thường và bão hòa chéo trong hình 3.3 của nguyên tử 87Rb. Ở đây, đường liền nét chỉ các dịch chuyển bão hòa thường, còn đường đứt nét chỉ các dịch chuyển bão hòa chéo. ................................................................ 64 Hình 3.5. Phổ hấp thụ (a) và tán sắc (c) của nguyên tử 85Rb (F = 3 F = 2, 3 và 4) khi không có chùm bơm; (b) phổ hấp thụ bão hoà và (d) tán sắc khi có sự bão hoà. .......... 65 Hình 3.6. Sơ đồ giải thích các dịch chuyển bão hòa thường và bão hòa chéo trong hình 3.5 của nguyên tử 85Rb. Ở đây, đường liền nét chỉ các dịch chuyển bão hòa thường, còn đường đứt nét chỉ các dịch chuyển bão hòa chéo. ................................................................ 66 Hình 3.7. Phổ hấp thụ bão hoà của nguyên tử 87Rb trong công trình [58] (a) và kết quả của chúng tôi đo được trong đề tài này. ................................................................................... 67 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của phổ EIT theo cường độ laser bơm: (a) c = 0 MHz,(b) c = 80MHz,(c) c = 100 MHz,(d) c = 130 MHz,(e) c = 180 MHz, (f) so sánh giữa các kết quả. ........................................................................................................ 71 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của phổ EIT theo tần số trường laser bơm: (a) c = -80 MHz và (b) c = 125 MHz. .....................................................