Điều khiển vận tốc nhóm ánh sáng dựa trên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện tử trong môi trường nguyên tử 87Rb ba mức

Bài báo nghiên cứu khả năng điều khiển vận tốc nhóm của ánh sáng trong môi trường nguyên tử ba mức năng lượng theo các cấu hình kích thích: lambda, chữ V và bậc thang. Sử dụng phương pháp ma trận mật độ trong gần đúng lưỡng cực, gần đúng sóng quay và gần đúng trường dò yếu, chúng tôi đã rút ra được biểu thức vận tốc nhóm dưới dạng giải tích.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển vận tốc nhóm ánh sáng dựa trên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện tử trong môi trường nguyên tử 87Rb ba mức Trường Đại học Vinh Tạp chí khoa học, Tập 46, Số 2A (2017), tr. 21-30 87 guyễn uấn nh (1,2), Lâm rung iếu (1) ạ râm nh (1), Lê ăn oài (1) 1 Trường Đại học Vinh 2 Trường Đại học Công nghiệp thực phẩm TP. Hồ Chí Minh Ngày nhận bài 14/7/2017, ngày nhận đăng 13/10/2017 óm tắt: Chúng tôi nghiên cứu khả năng điều khiển vận tốc nhóm của ánh sáng trong môi trường nguyên tử ba mức năng lượng theo các cấu hình kích thích: lambda, chữ V và bậc thang. Sử dụng phương pháp ma trận mật độ trong gần đúng lưỡng cực, gần đúng sóng quay và gần đúng trường dò yếu, chúng tôi đã rút ra được biểu thức vận tốc nhóm dưới dạng giải tích. Các kết quả được áp dụng cho môi trường nguyên tử 87 Rb và cho thấy khả năng làm chậm vận tốc nhóm của ánh sáng tốt nhất đối với cấu hình lambda và kém nhất đối với cấu hình chữ V. Theo đó, vận tốc nhóm nhỏ nhất đạt được tương ứng với hiệu suất trong suốt khoảng 50% đối với cấu hình lambda, 60% đối với cấu hình bậc thang và trên 80% đối với cấu hình chữ V. I. U Làm chậm vận tốc nhóm của ánh sáng trong vật liệu quang hiện nay đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học vì nó có nhiều ứng dụng quan trọng trong lưu trữ và truyền thông tin quang [1]. ối với vật liệu truyền thống, mặc dù sự tán sắc biến thiên nhanh trong miền cộng hưởng nên có vận tốc nhóm bé, nhưng tín hiệu lúc đó sẽ bị suy hao nhanh do hấp thụ cộng hưởng. Hơn nữa, do độ tán sắc không thay đổi được nên vận tốc nhóm ánh sáng cũng không thể điều khiển được. Hiện nay, để giảm, thậm chí triệt tiêu hấp thụ cộng hưởng, người ta sử dụng hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ-EIT (Electromagnetically Induced Transparency) [2]. ể tạo hiệu ứng EIT ta cần ít nhất hai kênh dịch chuyển trong nguyên tử được kích thích bởi một trường a er d và một trường a er i khi n. Do đó, cấu hình kích thích cơ bản của hiệu ứng EIT là các hệ ba mức năng lượng: lambda, chữ V và bậc thang [2]. Bản chất vật lí của hiệu ứng này là kết quả của sự giao thoa lượng tử giữa các biên độ xác suất của các kênh dịch chuyển bên trong nguyên tử dưới sự kích thích kết hợp của các trường laser, dẫn đến sự trong suốt của môi trường nguyên tử đối với chùm laser dò trong một miền quang học nào đó (gọi là cửa ổ EIT). Cùng với sự triệt tiêu hấp thụ thì độ tán sắc của môi trường cũng trở nên rất lớn trong miền phổ EIT. ây là cơ sở để làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng trong vật liệu EIT. Sử dụng hiệu ứng EIT, Hau và cộng sự [3] 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. Sau đó, trong hơi nguyên tử b ở nhiệt độ phòng, ash và đ ng nghiệp đã làm chậm ánh sáng tới 0 m/s [4]. Thí nghiệm này, sau đó được tinh ch nh bởi Budker, ở đó ánh sáng được làm chậm tới 8 m s [5]. ặc biệt, sử dụng kỹ thuật EIT, một số nhóm nghiên cứu như Liu [6 và Walsworth [7 đã làm dừng hoàn toàn Email: anhnt@cntp.edu.vn (N. T. Anh) 21 N. T. Anh, L. T. Hiế , T. T. Anh, L. V. Đoài / Đi khi n ận tốc nh m nh ng dựa tr n hiệ ng… 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. Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về vận tốc nhóm ánh sáng trong môi trường nguyên tử ba mức đã được thực hiện, tuy nhiên chưa có sự so sánh vận tốc nhóm ánh sáng theo các cấu hình kích thích lambda, bậc thang và chữ V. Hơn nữa, vận tốc nhóm của ánh sáng cũng chưa được dẫn ra dưới dạng biểu thức giải tích nên sự phụ thuộc của vận tốc nhóm ánh sáng theo các tham số của trường laser điều khiển chưa được khảo sát đầy đủ. Trong công trình này, chúng tôi dẫn ra các biểu thức giải tích cho vận tốc nhóm và chiết suất nhóm của ánh sáng trong môi trường nguyên tử ba mức cấu hình lambda, chữ V và bậc thang theo các thông số của hệ nguyên tử (mật độ nguyên tử và tốc độ phân rã) và của các trường laser (cường độ và tần số). Từ đó, khảo sát sự phụ thuộc của vận tốc nhóm ánh sáng theo các tham số điều khiển và so sánh vận tốc nhóm ánh sáng trong m i cấu hình kích thích. II. H NH L THU T Xét môi trường nguyên tử ba mức năng lượng được kích thích bởi một chùm laser dò có cường độ yếu (tần số p và cường độ điện trường Ep) và một chùm laser điều khiển có cường độ mạnh hơn (tần số c và cường độ điện trường Ec) theo các cấu hình: lambda (a), chữ V (b) và bậc thang (c) như trên hình 1(i). đây, chúng tôi áp dụng cho hệ nguyên tử 87Rb có sơ đ các mức năng lượng được mô tả trên hình 1(ii) [8]. Dựa theo sơ đ này, chúng ta có thể lựa chọn các mức năng lượng |1, |2 và |3 tương ứng với các trạng thái 52 S1/2 F  1 , 52 P3/2 F  2 và 52 S1/2 F  2 đối với cấu hình lambda; 52 S1/2 F  1 , 52 P3/2 F  2 và 52 P3/2 F  1 đối với cấu hình chữ V; 52 S1/2 F  1 , 52 P3/2 F  2 và 52 D5/2 F   3 đối với cấu hình bậc thang. Hình 1. (i) Các cấu hình kích thích trong hệ nguyên tử ba mức: (a) lambda, (b) chữ V, (c) ...