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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ

NGHỆ AN, 6/2022


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 ngành: QUANG HỌC
Mã số: 9440110

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ
Hướng dẫn khoa học: GS. TS. Nguyễn Huy Bằng

NGHỆ AN, 4/2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung của bản luận án này là cơng trình nghiên
cứu của riêng tơi dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Nguyễn Huy Bằng.
Các kết quả trong luận án là trung thực và được cơng bố trên các tạp chí khoa
học trong nước và quốc tế.
Tác giả luận án

Nguyễn Văn Ái


LỜI CẢM ƠN

Xin cảm ơn GS.TS. Nguyễn Huy Bằng đã trực tiếp hướng dẫn tơi hồn
thành luận án, và tận tình giúp đỡ, hỗ trợ tơi nâng cao kiến thức, phương pháp
nghiên cứu khoa học. Bằng tất cả sự chuẩn mực của người thầy, đồng thời là
một nhà khoa học mẫu mực, thầy đã tạo ra nhiều động lực cho tơi quyết tâm
vượt qua mọi khó khăn trong q trình làm nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy giáo GS.TS Đinh Xuân Khoa,
PGS. TS Phạm Văn Hội, PGS.TS Nguyễn Văn Phú, PGS. TS. Lưu Tiến
Hưng, PSG. TS Chu Văn Lanh, TS Lê Văn Đoài, TS. Lê Cảnh Trung, TS
Phan Văn Thuận, TS Hoàng Minh Đồng và TS Đỗ Mai Trang đã ln hết
mình hỗ trợ, động viên về mọi mặt trong quá trình làm nghiên cứu. Xin chân
thành cảm ơn tập thể quý thầy cô giáo của Trường Đại học Vinh về những ý
kiến đóng góp bổ ích, cũng như tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thuận lợi hồn
thành luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu trường THPT Kỳ Lâm 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, người thân và
bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ để tơi hồn thành bản
luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận án


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN..................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN.........................vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................... xv
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
1. Lý do chọn đề tài.............................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu......................................................................................... 4
3. Nội dung nghiên cứu........................................................................................ 4
4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 5
Chương I CÁC NGUYÊN LÝ ĐO PHỔ PHÂN GIẢI CAO...............................7
1.1. Nguyên lý đo phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc bão hòa............................... 7
1.2. Nguyên lý đo phổ bơm chọn lọc vận tốc.................................................... 13
1.3. Nguyên lý đo phổ trong suốt cảm ứng điện từ.......................................... 16
1.4. Hiệu ứng Macaluso-Corbino...................................................................... 19
1.5. Một số ứng dụng của môi trường EIT....................................................... 25
1.5.1. Làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng...................................................... 25
1.5.2. Phi tuyến Kerr khổng lồ....................................................................... 26

1.5.3. Lưỡng ổn định quang........................................................................... 27
1.6. Nguyên tử Rubi (Rubidium)....................................................................... 28
Kết luận chương I.................................................................................................. 32
Chương II XÂY DỰNG HỆ THÍ NGHIỆM NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT
QUANG CỦA MƠI TRƯỜNG NGUN TỬ.........................................................33
2.1. Một số hệ thí nghiệm đo phổ nguyên tử hiện nay.....................................33
2.1.1. Hệ thí nghiệm hấp thụ bão hồ của hãng Thorlabs...........................33
2.1.2. Hệ thí nghiệm của hãng Teachspin...................................................... 35
2.1.3. Hệ thí nghiệm EIT cấu hình chữ V bơm-dị cùng chiều.....................37


2.1.4. Hệ thí nghiệm đo chiết suất nhóm ánh sáng.......................................40
2.1.5. Thí nghiệm EIT tại trường Đại học Vinh............................................ 43
2.2. Xây dựng hệ thí nghiệm phổ phân giải cao đa năng................................. 46
2.2.1. Nguyên lý chung.................................................................................... 46
2.2.2. Bộ phận quang học................................................................................ 48
2.2.3. Bộ phận điều khiển...............................................................................60
2.2.4. Bộ phận hiển thị.................................................................................... 64
2.3. Sơ đồ nguyên lý các phép đo phổ của hệ thí nghiệm................................65
2.3.1. Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ và phổ tán sắc.......................65
2.3.2. Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hòa và tán sắc bão hòa .67
2.3.3. Sơ đồ quang học quan sát EIT cấu hình bơm-dò ngược chiều..........69
2.3.4. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT cấu hình bơm-dị cùng chiều.....72
2.3.5. Sơ đồ quang học quan sát phổ EIT hai chùm bơm ngược chiều.......73
2.3.6. Sơ đồ quang học quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino.....................74
Kết luận chương II............................................................................................. 76
Chương III NGHIÊN CỨU CÁC TÍNH CHẤT QUANG CỦA KHÍ NGUYÊN TỬ
...................................................................................................................................... 78
3.1. Khảo sát phổ hấp thụ và tán sắc................................................................ 78
3.1.1. Quy trình đo phổ................................................................................... 78

3.1.2. Phổ hấp thụ và tán sắc.......................................................................... 79
3.2. Khảo sát phổ hấp thụ bão hồ và tán sắc bão hồ.................................... 82
3.2.1. Quy trình đo phổ................................................................................... 82
3.2.2. Phổ hấp thụ bão hoà và tán sắc bão hoà............................................. 83
3.3. Khảo sát phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều............85
3.3.1. Quy trình đo phổ EIT và tán sắc EIT.................................................. 85
3.3.2. Phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dị ngược chiều.....................87
3.4. Khảo sát phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dị cùng chiều..............91
3.4.1. Quy trình đo phổ................................................................................... 91
3.4.2. Phổ EIT và tán sắc EIT cấu hình bơm-dị cùng chiều........................93
3.5. Phổ bơm chọn lọc vận tốc........................................................................... 94


3.5.1. Quy trình đo phổ................................................................................... 94
3.5.2. Đo phổ bơm chọn lọc vận tốc............................................................... 95
3.6. Quan sát phổ EIT cấu hình hai chùm bơm ngược chiều nhau................97
3.6.1. Quy trình đo phổ................................................................................... 97
3.6.2. Phổ EIT hai chùm bơm cùng chiều và ngược chiều với chùm dị.....98
3.7. Quan sát phổ EIA cấu hình bơm-dị ngược chiều................................... 106
3.7.1. Quy trình đo phổ................................................................................. 106
3.7.2. Phổ EIA cấu hình bơm-dị ngược chiều............................................. 107
3.8. Quan sát hiệu ứng Macaluso-Corbino..................................................... 111
3.8.1. Quy trình đo phổ................................................................................. 111
3.8.2. Hiệu ứng Macaluso-Corbino (MC).................................................... 112
3.9. Khảo sát chuyển mạch quang................................................................... 114
3.9.1. Mô hình lý thuyết................................................................................ 114
3.9.2. Mơ hình thực nghiệm.......................................................................... 120
3.10. Khảo sát chiết suất âm............................................................................ 122
3.10.1. Mơ hình lý thuyết.............................................................................. 122
3.10.2. Mơ hình thực nghiệm........................................................................ 128

3.11. Nghiên cứu mở rộng tính năng của hệ thí nghiệm tích hợp.................129
3.11.1. Xác định vận tốc nhóm ánh sáng..................................................... 129
3.11.2. Xác định phi tuyến Kerr................................................................... 131
3.11.3. Các thiết bị và linh kiện cần bổ sung...............................................132
Kết luận chương III......................................................................................... 134
KẾT LUẬN CHUNG.......................................................................................... 136
CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ......................................... 138
C. Báo cáo khoa học............................................................................................ 139
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 141
PHỤC LỤC A...................................................................................................149
PHỤC LỤC B................................................................................................... 154


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Giải thích nghĩa
EIT

Electromagnetically Induced Transparency – Sự trong suốt cảm ứng
điện từ.

EIA

Electromagnetically Induced Absorption – Sự hấp thụ cảm ứng điện
từ.

CPT

Coherence Population Trapping – Sự bẫy độ cư trú kết hợp.

LWI

Lasing Without Inversion – Sự phát laser không nghịch đảo độ cư
trú.

SAS

Saturated Absorption spectroscopy – Phổ hấp thụ bão hòa.

TOP

Transfer of Population – Sự di chuyển độ cư trú.

LHM Left-handed material – Vật liệu chiết suất âm
PD

Photodetector – là cảm biến quang chuyển đổi photon của ảnh sáng
hoặc bức xạ điện từ thành tính hiệu điện

EOM Electro-optic modulator – Bộ biến điệu điện-quang
AOM Acousto-optic modulator – Bộ biến điệu âm-quang


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN

Ký
hiệu

Đơn vị

Snm

không thứ nguyên

c

2.998  108 m/s

Nghĩa
Cường độ liên kết tỷ đối giữa các dịch chuyển
của nguyên tử
Vận tốc ánh sáng trong chân không
Mômen lưỡng cực điện của dịch chuyển

dnm

C.m

E

V/m

Cường độ điện trường của chùm ánh sáng

Ec

V/m

Cường độ điện trường chùm laser điều khiển

Ep

V/m

Cường độ điện trường chùm laser dị

En

J

F

khơng thứ ngun

Số lượng tử mơmen góc tồn phần

H

J

Hamtilton tồn phần

H0

J

Hamilton của ngun tử tự do

n m

Năng lượng riêng của trạng thái n

Hamilton tương tác giữa nguyên tử và trường

HI

J

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 Rubidium

ánh sáng


N

không thứ nguyên

Chiết suất của môi trường

N

nguyên tử/m3

Mật độ nguyên tử

T

K

Nhiệt độ tuyệt đối



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

c

Hz

Tần số Rabi của trường điều khiển

p

Hz

Tần số Rabi của trường dò

c

Hz

Độ lệch tần giữa tần số chùm liên kết với với


tần số dịch chuyển nguyên tử
p

Hz



Hz

Rubi

Không thứ nguyên

Cs

Không thứ nguyên

Độ lệch tần số giữa tần số chùm dò với với
tần số dịch chuyển nguyên tử
Khoảng cách phổ giữa các mức siêu tinh tế
Nguyên tử Rubidium (có hai đồng vị 85Rb và
87

Rb)

Nguyên tử Cesium


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý kỹ thuật phổ hấp thụ bão hịa...........................................8
Hình 1.2 Đường phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc khi được kích thích bởi
bức xạ có tần số  [4]

...................................................................................................................................
9
Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý phổ hấp thụ bão hòa: (a) cơng tua phổ hấp thụ của chùm
dị, (b) cơng tua phân bố mật độ nguyên tử theo vận tốc [4]
.................................................................................................................................
10
Hình 1.4 Giao thoa kế Mach–Zehnder được sử dụng đo hệ số tán sắc của nguyên tử [61].
...................................................................................................................................11
Hình 1.5 Sự phụ thuộc giữa hệ hấp thụ chuẩn hóa (đường nét liền) và hệ số tán sắc
chuẩn hóa (đường chấm chấm) vào độ lệch tần chuẩn hóa  [61]
.................................................................................................................................
13
Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý đo phổ bơm chọn lọc vận tốc.........................................13
Hình 1.7 Sơ đồ giải thích sự tạo thành các vạch phổ khi sử dung kỹ thuật phổ bơm
chọn lọc vận tốc cho nguyên tử 85Rb
.................................................................................................................................
15
Hình 1.8 Phổ bơm chọn lọc vận tốc của ngun tử 85Rb.........................................16
Hình 1.9 Sơ đồ kích thích chữ V hệ bốn mức năng lượng được kích thích bởi hai
chùm
laser
bơm
và
laser
dị
.................................................................................................................................
17
Hình 1.10 Hệ số hấp thụ và hệ số tán sắc của nguyên tử 85Rb khi khóa chùm laser
bơm tại dịch chuyển 52S1∕2(F = 3) ↔ 52P3∕2(F= 3) [23]
.................................................................................................................................

17
Hình 1.11 Sơ đồ giải thích sự hình thành 6 cửa sổ EIT trên đường hấp thụ mở rộng
Doppler của nguyên tử 85Rb trường hợp chùm laser bơm và laser dò cùng chiều 18
Hình 1.12 Sơ đồ hệ hai mức về tương tác giữa nguyên tử với ánh sáng phân cực
thẳng, chùm sáng truyền qua mơi trường có từ trường ngồi khác khơng. Khi từ
trường ngồi có phương trùng với phương truyền, các mức từ con sẽ tách ra từ các
L
trạng
thái
cơ
bản
ứng
với
=
m.gF.µB.
B/h
.................................................................................................................................
21
Hình 1.13 Ảnh hưởng của từ trường lên phần thực (đường liền nét) và phần ảo
(đường đứt nét) của chiết suất phức ứng với các thành phần phân cực tròn trái ()


và phân cực tròn phải ( +) của ánh sáng tương tác với hệ nguyên tử hai mức đứng
yên khi khơng có từ trường (a) và khi có từ trường (b)
.................................................................................................................................
23
Hình 1.14 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..................................24

Hình 1.15 Đường đặc trưng về mối quan hệ vào - ra của hệ lưỡng ổn định quang học
(a) và sơ đồ nguyên lí của hệ lưỡng ổn định quang học (b).....................................28


Hình 1.16 Giản đồ các mức năng lượng của hai đồng vị 85Rb và 87Rb ứng với dịch
chuyển D2
..........................................................................................................................................................................................................

29
Hình 1.17 Cường độ chuẩn hóa (I/I0) của chùm laser khi truyền qua mơi trường khí
ngun tử Rubi ứng với dịch chuyển D2
..........................................................................................................................................................................................................

30
Hình 2.1 Sơ đồ bố trí hệ thí nghiệm SAS của hãng Thorlabs[70]..........................34
Hình 2.2 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa (a) và tín hiệu phổ hấp thụ (b) của nguyên
tử Rubi được đo bởi hệ thí nghiệm của hãng Thorlabs [70]
.................................................................................................................................
35
Hình 2.3 Sơ đồ bố trí hệ thí nghiệm của hãng Teachspin[71].................................36
Hình 2.4 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hòa trên dịch chuyển D2 của nguyên tử Rubi
được đo bởi hệ Teachspin[71]
.................................................................................................................................
37
Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm quan sát EIT của nhóm Kang Ying [45]..............38
Hình 2.6 Kết quả quan sát phổ EIT của nguyên tử 85Rb ở nhiệt độ 70 oC [45].......39
Hình 2.7 Sơ đồ giải thích sự hình thành các cửa sổ trong suốt trên đường hấp thụ
mở rộng Doppler trường hợp chùm laser bơm cùng chiều với laser dị [45]
.................................................................................................................................
39

Hình 2.8 Sơ đồ cài đặt hệ thí nghiệm quan sát sự tăng cường chiết suất tại các cửa
sổ EIT của ngun tử 87Rb
.................................................................................................................................
41
Hình 2.9 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa [26]...........................................................41
Hình 2.10 phổ tán sắc của nguyên tử Rubi phụ thuộc vào tần số. (a) đường thực
nghiệm, (b) đường lý thuyết theo hệ thức Kramers-Kronig [26]
.................................................................................................................................
42
Hình 2.11 Hệ thí nghiệm quan sát thơng tin tán sắc của nguyên tử 85Rb đầu tiên tại
trường Đại học Vinh [23]
.................................................................................................................................
44
Hình 2.12 Phổ hấp thụ và phổ tán sắc khi có mặt hiệu ứng EIT của nguyên tử Rubi.
(a) Thực nghiệm; (b) Lý thuyết [23]
.................................................................................................................................
45


Hình 2.13 Sơ đồ khối bệ thí nghiệm tích hợp nhỏ gọn............................................46
Hình 2.14 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 hịa; 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
.................................................................................................................................
47
Hình 2.15 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên bề mặt quang học của hệ thí nghiệm.........49
Hình 2.16 Laser diode DLS1A của hãng Teachspin................................................50
Hình 2.17 Laser dioder ECD – 003 của hãng Moglabs..........................................51
Hình 2.18 Buồng mẫu nguyên tử Rubi đặt trên giá ổn định nhiệt độ......................52


Hình 2.19 Gương phản xạ.......................................................................................52
Hình 2.20 Bản tách chùm........................................................................................53
Hình 2.21 Kính phân cực........................................................................................54
Hình 2.22 Bộ lọc trung hịa NDK01 – Thorlabs.....................................................55
Hình 2.23 Bộ khóa chùm.........................................................................................55
Hình 2.24 Bộ định hướng quang học......................................................................56
Hình 2.25 Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của hệ số truyền qua và hệ số cách ly vào
bước sóng
.................................................................................................................................
57
Hình 2.26 Giao thoa kế Fabry-Pérot. (a) Sơ đồ ngun lý, (b) Ảnh chụp hệ giao
thoa kế Fabry-Pérot
.................................................................................................................................
58
Hình 2.27 (a) Biên độ của mode cộng hưởng trong giao thoa kế Fabry-Pérot (b)
Phân bố cường độ tín hiệu
.................................................................................................................................
59

Hình 2.28 Đầu thu tín hiệu quang...........................................................................60
Hình 2.29 Bộ điều khiển laser diode của hãng TeachSpin......................................61
Hình 2.30 Bộ điều khiển laser diode Moglabs DLC– 502.......................................62
Hình 2.31 Bộ điều khiển nhiệt độ buồng mẫu nguyên tử.........................................63
Hình 2.32 Dao động ký điện tử của hãng Tektronix................................................64
Hình 2.33 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ..................................................66
Hình 2.34 Sơ đồ quang học quan sát phổ tán sắc...................................................67
Hình 2.35 Sơ đồ quang học quan sát phổ hấp thụ bão hịa.....................................68
Hình 2.36 Sơ đồ quang học quan sát phổ tán sắc bão hịa.....................................68
Hình 2.37 Sơ đồ quang học khóa tần số laser bơm.................................................69
Hình 2.38 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa của ngun tử Rubi ở dịch chuyển D2....70
Hình 2.39 Tín hiệu phổ hấp thụ bão hịa khi khóa miền dịch chuyển ứng với F = 3
 F = 3 trong q trình khóa tần số theo thứ tự (1) – (6) ......................................71
Hình 2.40 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình chùm dị và chùm
bơm ngược chiều
.................................................................................................................................
72
Hình 2.41 Sơ đồ quang học của hệ tạo EIT đa cửa sổ cấu hình chùm dị và chùm
bơm cùng chiều


.................................................................................................................................
72
Hình 2.42 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
.................................................................................................................................
73


Hình 2.43 Sơ đồ quang học của hệ quan sát hiệu ửng Macaluso-Corbino.............74

Hình 3.1 Phổ hấp thụ (a) và phổ tán sắc (b) của nguyên tử Rubi...........................80
Hình 3.2 Phổ hấp thụ bão hòa (a) và phổ tán sắc bão hòa (b)...............................84
Hình 3.3 Hình ảnh phổ EIT của nguyên tử 85Rb ứng với dịch chuyển 52S1/2(F = 3) 
52P3/2(F’ = 2, 3, 4): hấp thụ (a) và tán sắc (b)........................................................87
Hình 3.4 So sánh phổ hấp thụ và phổ tán sắc của khí 85Rb.....................................88
Hình 3.5 Phổ hấp thụ và tán sắc khi có hiệu ứng EIT của ngun tử 85Rb, vị trí các
cửa sổ tương ứng với các dịch chuyển: (1) F = 3  F = 2 (nhóm A); (2) F = 3  F
= 2, 3 (nhóm B,A); (3) F = 3  F = 3 (nhóm B); (4) F = 3  F = 2, 4 (nhóm C,A);
(5) F = 3  F = 3, 4 (nhóm C,B); (6) F = 3  F = 4 (nhóm C) ............................89
Hình 3.6 Phổ tán sắc khi có hiệu ứng EIT của nguyên tử 85Rb ứng với cường độ
chùm
laser
liên
kết
3
mW/cm2
.................................................................................................................................
90
Hình 3.7 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)
.................................................................................................................................
91
Hình 3.8 Phổ hấp thụ (1) và phổ tán sắc (2) của nguyên tử 85Rb khi có mặt hiệu ứng EIT.
...................................................................................................................................94
Hình 3.9 Tín hiệu phổ bơm chọn lọc vận tốc của nguyên tử 85Rb chùm bơm ngược
chiều chùm dị
.................................................................................................................................
96

Hình 3.10 Phổ EIT của 13 cửa sổ trên đường Doppler của nguyên tử 85Rb. a) thí
nghiệm, b) lý thuyết
.................................................................................................................................
99
Hình 3.11 Sơ đồ giải thích sự tạo thành 13 cửa sổ EIT.........................................101
Hình 3.12 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 ...........................................................108
Hình 3.13 Sơ đồ giải thích sự hình thành các đỉnh EIA trên đường Doppler của
nguyên tử 87Rb.......................................................................................................110
Hình 3.14 Sự dịch chuyển của các đỉnh hấp thụ cộng hưởng khi thay đổi tần số của
chùm laser bơm.....................................................................................................110


Hình 3.15 Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu ứng Macaluso-Corbino (a) khi khơng
có từ trường, (b) khi có từ trường, (c, d) so sánh khi có từ trường và khi khơng có từ
trường.
.................................................................................................................................113


Hình 3.16 Sự phụ thuộc của góc quay mặt phẳng phân cực ánh sáng vào từ trường
ngồi, (a) đường mơ phỏng theo lý thuyết, (b - e) đường thực nghiệm của các giá trị
từ trường khác nhau khi  = 600........................................................................... 114
Hình 3.17 (a) Sơ đồ nguyên tử cấu hình kép V + Ξ, (b) sơ đồ các mức năng lượng
của đồng vị 87Rb.....................................................................................................115
Hình. 3.18 Sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ (a) và hệ số tán sắc (b) vào độ lệch tần
Δp ứng với Ωp = 0.0121, Ωc = 921, c = 0, s = 0 khi tắt (đường chấm chấm) hoặc
bật (đường nét liền) trường tín hiệu tại tần số Rabi Ωs = 9γ21.................................................118
Hình 3.19 Sự thay đổi tín hiệu chùm dị liên tục khi trường tín hiệu chuyển đổi với
chu kỳ 50/21 (a) và 100/21 (b). Với các tham số Ωp0 = 0.0121, Ωs0 = Ωc = 921,
p = 0, c = 0, s = 0; thời gian τ được tính theo đơn vị 21-1.................................................119

Hình 3.20 Sơ đồ quang học hệ chuyển mạch quang.............................................121
Hình 3.21 Hệ nguyên tử ba mức cấu hình Lamda.................................................122
Hình 3.22 Sự phụ thuộc của phân thực của độ điện thẩm, độ từ thẩm và hệ số hấp
thụ vào độ lệch tần chùm dị khi khơng có mở rộng Doppler (a) và khi có mở rộng
Doppler (b), hình chèn thêm vào biểu diễn chiết suất âm của môi trường. Các tham
số sử dụng là c = 1 MHz (a) và c = 60 MHz (b), c = 0 và T = 300 K
...............................................................................................................................
126
Hình 3.23 Sự phụ thuộc của độ từ thẩm và độ điện thẩm vào độ lệch tần của laser
dò ứng với hai giá trị độ lệch tần của chùm laser bơm c = 5 MHz (a) và c = 5
MHz (b). Các tham số khác là c = 60 MHz (b), c = 0 và T = 300 K. Hình chèn
thêm
vào
biểu
diễn
chiết
suất
âm
của
mơi
trường
...............................................................................................................................
127
Hình 3.24 Sự phụ thuộc của độ từ thẩm, độ điện thẩm và chiết suất vào cường độ
laser bơm khi p = 2 MHz, c = 0 MHz và T = 300 K
...............................................................................................................................
128
Hình 3.25 Sơ đồ quan sát chiết suất âm của mơi trường ngun tử khí................128
Hình 3.26. Sơ đồ lắp đặt hệ đo vận tốc nhóm ánh sáng..........................................130
Hình 3.27 Sơ đồ lắp đặt hệ đo hệ số phi tuyến Kerr.............................................131

Hình 3.28 Bộ điều biến điện quang EOM của hãng Thorlabs..............................132
Hình 3.29 Bộ điều biến âm quang AOM của hãng Topica....................................133


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Hệ số cường độ dịch chuyển SFF giữa các trạng thái siêu tinh tế trong dịch
chuyển D2 của nguyên tử 85Rb [44].......................................................................29
Bảng 1.2 Hệ số cường độ dịch chuyển SFF giữa các trạng thái siêu tinh tế trong dịch
chuyển D2 của nguyên tử 85Rb [44].......................................................................30
Bảng 2.1 Bảng các thiết bị dùng để xây dựng hệ thí nghiệm...................................48
Bảng 2.2 Các thơng số kỹ thuật của đầu thu quang học..........................................60
Bảng 3.1 Vị trí của các cửa sổ EIT quan sát được khi sử dụng đồng thời hai chùm
laser bơm............................................................................................................... 104
Bảng 3.2 Mối quan hệ giữa điện áp vào và dịch chuyển pha................................133


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 ngun 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 (EITElectromagentically 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 ngun tử bằng laser bên
ngồi. 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 hng
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.
Mơ 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 trị 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 dị 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.
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 mơi 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 ngồi, 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 mơi 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 mơ 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 tơi cũng đã
xây dựng thành cơng một hệ thí nghiệm quan sát phổ trong suốt cảm ứng điện
từ của khí nguyên tử Rb ở nhiệt độ phịng [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 địi 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 tơi 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 tơi sử dụng mơi trường khí ngun 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 ngồi 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 phịng do đó dễ tạo mẫu.
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 mơi 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 mơi trường khí ngun tử dựa trên hiệu ứng EIT.
- Xây dựng quy trình thực hiện các phép đo phổ của nguyên tử Rubi.