MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Hiệu ứng lưỡng ổn định quang (Optical Bistability - OB) là một hiệu ứng vật lý được quan tâm nghiên cứu trong gần 5 thập niên qua vì nó có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghệ quang tử như chuyển mạch toàn quang, bộ nhớ toàn quang, bóng bán dẫn quang học, cổng logic toàn quang và bộ vi xử lý. Hiện nay, các thiết bị sử dụng hiệu ứng OB có tốc độ làm việc lớn nhất. Nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng OB được triển khai lần đầu tiên bởi Szőke cùng các cộng sự (1969) dựa trên hiện tượng hấp thụ phi tuyến: đặt buồng cộng hưởng Fabry-Perot (F-P) chứa vật liệu hấp thụ bão hòa SF6 trên đường truyền của chùm tia laser CO2.
Các hệ OB điển hình có hai nhân tố quan trọng đặc trưng cho tính chất của hệ là môi trường phi tuyến và cơ chế phản hồi ngược tín hiệu quang. Phản hồi ngược liên quan đến cấu trúc hình học của buồng cộng hưởng đóng vai trò điều khiển chiết suất hiệu dụng của môi trường phi tuyến (thường chọn phi tuyến Kerr) thay đổi theo cường độ tín hiệu thông qua hệ thức n = n0 + n2 I , với n0 là chiết suất tuyến tính và n2 là hệ số phi tuyến Kerr. Khi đó, độ nhạy và đặc tính của thiết bị sẽ phụ thuộc tương ứng vào độ lớn và dấu của hệ số phi tuyến Kerr n2. Với các vật liệu phi tuyến Kerr truyền thống, hệ số phi tuyến Kerr n2 thường có giá trị bé hơn 10-12 cm2/W do hoạt động xa miền phổ cộng hưởng [1,2] nên hiệu ứng phi tuyến (hệ quả là hiệu ứng OB) chỉ xuất hiện đối với các nguồn sáng có cường độ lớn.
Đây là hạn chế lớn của vật liệu truyền thống nên việc tìm kiếm các giải pháp để điều khiển và tăng cường phi tuyến Kerr là một trong các nhiệm vụ quan trọng trong các nghiên cứu về OB [1,2]. Một ý tưởng được đề xuất để tăng cường phi tuyến Kerr là sử dụng tín hiệu quang trong miền lân cận cộng hưởng nguyên tử. Khi đó phi tuyến Kerr của môi trường được tăng cường gấp hàng triệu lần so với môi trường truyền thống [3]. Các hệ OB ban đầu sử dụng buồng cộng hưởng vòng chứa môi trường nguyên tử hai mức năng lượng, tuy hệ số phi tuyến Kerr lớn nhưng gặp phải trở ngại là sự hấp thụ 1 mạnh dẫn đến làm suy hao tín hiệu và các hiệu ứng nhiệt không mong muốn.
Ngoài ra, hệ OB hai mức năng lượng cũng tồn tại hạn chế như sự không ổn định tại nhánh trên của đường cong lưỡng ổn định và quan trọng là vẫn không điều khiển được đặc trưng OB từ bên ngoài [4]. Vì vậy, điều khiển được tính chất phi tuyến kèm theo triệt tiêu hấp thụ cộng hưởng là một ý tưởng rất táo bạo và hấp dẫn để giải quyết khó khăn này. Như đã được đề xuất bởi Harris cùng các cộng sự [6], chúng ta có thể triệt tiêu hệ số hấp thụ và điều khiển hệ số phi tuyến trong miền cộng hưởng nguyên tử bằng hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ (Electromagnetically Induced Transparency - EIT). Sự xuất hiện hiệu ứng EIT là do sự giao thoa giữa các biên độ xác suất của các kênh dịch chuyển bên trong nguyên tử dưới sự tác dụng đồng thời của một trường laser mạnh (gọi là trường liên kết) và một trường laser yếu (gọi là trường dò).
Sự giao thoa làm triệt tiêu biên độ xác suất dịch chuyển phổ dẫn đến triệt tiêu hấp thụ của môi trường đối với trường laser dò, hình thành nên một cửa sổ trong suốt trên công tua hấp thụ nên được gọi là cửa sổ EIT [7,8]. Theo hệ thức Kramer-Kronig, sự thay đổi hệ số hấp thụ sẽ dẫn đến sự thay đổi hệ số tán sắc và do đó thay đổi vận tốc nhóm của ánh sáng [9] hay tăng cường tính phi tuyến khi lan truyền trong môi trường này [9-11]. Như vậy, môi trường EIT là đối tượng lý tưởng cho nghiên cứu về khả năng điều khiển và tăng cường hệ số phi tuyến ở các cường độ ánh sáng rất thấp trên cả phương diện nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng [12,13]. Bằng các phép đo thực nghiệm, nhóm nghiên cứu của Min Xiao ở Hoa Kì cho thấy hệ số phi tuyến Kerr của môi trường nguyên tử Rb không chỉ tăng lên vài bậc mà còn điều khiển được cả về biên độ và dấu [16].
Mặc dù công trình của Min Xiao đã quan sát được hệ số phi tuyến Kerr và mô phỏng bằng số, tuy nhiên thiếu sự mô tả bằng giải tích hệ số phi tuyến Kerr nên các ứng dụng của chúng còn hạn chế. Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu ở Trường Đại học Vinh [11] đã dẫn ra biểu thức giải tích cho hệ số phi tuyến Kerr của môi trường ba mức năng lượng khi có mặt của mở rộng Doppler và phù hợp tốt với quan sát thực nghiệm của nhóm Min 2 Xiao [16]. Từ những nền tảng ban đầu đó, nhóm nghiên cứu trường Đại học Vinh đã mở rộng nghiên cứu cho hệ nguyên tử năm mức năng lượng trong môi trường EIT [17], và tiếp tục thành công trong việc điều khiển hệ số phi tuyến Kerr của môi trường khí nguyên tử dựa trên hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ [18]. Và đến năm 2017, nhóm nghiên cứu trường Đại học Vinh đã áp dụng môi trường EIT năm mức năng lượng vào việc khảo sát lưỡng ổn định quang và thu được những kết quả đáng khích lệ [19].
Cũng trong năm 2017, tại phòng thí nghiệm Quang phổ của trường Đại học Vinh, nhóm nghiên cứu đã đo thành công 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 [20]. Đây là điều kiện thuận lợi để chúng tôi kế thừa và phát huy hơn nữa những kết quả đã đạt được tại trường Đại học Vinh trong việc áp dụng môi trường EIT vào nghiên cứu lưỡng ổn định quang học. Hiện nay, sử dụng môi trường EIT tạo các quá trıǹ h quang phi tuyến tại các cường độ ánh sáng rất thấp hay thậm chı́ đơn photon được xem là giải pháp thú vị [21,22] bởi nó có nhiều ưu điểm khi áp dụng vào OB so với sử dụng môi trường nguyên tử hai mức năng lượng [23,24]. Ngoài độ nhạy cao, chúng ta có thể thay đổi đặc trưng lưỡng ổn định quang của vật liệu EIT bằng cách thay đổi dấu và độ lớn của phi tuyến Kerr.
Khi đó, thiết bị OB sử dụng môi trường EIT sẽ đóng vai trò thiết bị chủ động (các tính chất đặc trưng có thể thay đổi được mà không cần thay đổi cấu trúc vật lý của buồng cộng hưởng). Vı̀ vậy, các nhà khoa học đang kỳ vọng sẽ có bước đột phá về công nghệ quang tử sử dụng vật liệu EIT trong tương lai rất gần. Năm 1996, nhóm nghiên cứu của Agarwal [25] đã đề xuất sử dụng môi trường EIT ba mức năng lượng tạo hiệu ứng OB và sau đó đã được nhóm của Min Xiao kiểm chứng vào năm 2003 [26]. Kết quả nghiên cứu cho thấy, ngưỡng và độ rộng miền lưỡng ổn định thay đổi theo cường độ và tần số của các trường laser [26].
Trong điều kiện lý tưởng, khi sử dụng môi trường EIT nguyên tử để tạo OB thường bỏ qua mở rộng Doppler. Tuy nhiên, khi khảo sát mẫu nguyên tử ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn thì ảnh hưởng của sự mở rộng Doppler sẽ trở nên đáng kể đối với phi tuyến Kerr [11]. Về mặt nguyên lý, sự thay đổi phi tuyến Kerr dưới tác động của 3 mở rộng Doppler cũng sẽ làm thay đổi tính chất lưỡng ổn định quang. Ngoài sự giao thoa giữa các biên độ xác xuất dịch chuyển, còn tồn tại sự giao thoa giữa các kênh phát xạ tự phát khác nhau có thể tạo ra trạng thái chồng chất kết hợp [27].
Hiệu ứng giao thoa được gây ra bởi phát xạ tự phát được gọi là “độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát” (Spontaneously Generated Coherence – SGC) [27,28] hay một số tác giả khác dùng thuật ngữ “độ kết hợp được cảm ứng bởi phát xạ tự phát” (Spontaneously Induced Coherence – SIC) [29]. Những nghiên cứu ban đầu về hiệu ứng giao thoa này được thực hiện đối với hệ nguyên tử ba mức năng lượng, độ kết hợp được tạo ra bởi sự giao thoa của phát xạ tự phát của cả hai mức năng lượng gần nhau tới một mức chung (cấu hình chữ V) [29], hoặc bởi một trạng thái kích thích tới hai mức cơ bản gần nhau (cấu hình lambda) [28]. Năm 1996, Xia và cộng sự [30] lần đầu tiên quan sát thực nghiệm về các hiệu ứng giao thoa tăng cường và triệt tiêu do phát xạ tự phát. Sự tồn tại của hiệu ứng SGC phụ thuộc vào tính không trực giao của các mô men lưỡng cực điện được cảm ứng bởi hai trường laser.
Ảnh hưởng của SGC lên các tính chất quang ở trạng thái dừng của môi trường EIT cũng đã được nghiên cứu rộng rãi, tiêu biểu như: ảnh hưởng của SGC lên sự phát laser không đảo lộn độ cư trú [31], hệ số hấp thụ và tán sắc [32-34], tăng cường phi tuyến Kerr [35-37], lưỡng ổn định quang [38-40], v. Cho đến nay, mặc dù việc nghiên cứu ảnh hưởng của SGC và pha lên đặc trưng lưỡng ổn định quang của môi trường EIT đã được công bố nhưng chủ yếu là dưới dạng phương pháp số [27,37-40] và chưa dẫn ra được biểu thức giải tích cho hệ nguyên tử ba mức năng lượng trong môi trường EIT. Đây là vấn đề tiếp theo được chúng tôi quan tâm nghiên cứu trong đề tài này, bên cạnh khảo sát ảnh hưởng của mở rộng Doppler lên đặc trưng lưỡng ổn định quang. Với tính thời sự và cấp thiết của vấn đề nghiên cứu, chúng tôi chọn đề tài “Ảnh hưởng của sự định hướng mô men lưỡng cực điện và pha của laser lên đặc trưng lưỡng ổn định quang học” làm đề tài luận án của mình.
Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu sự thay đổi đặc trưng lưỡng ổn định quang trong môi trường EIT dưới ảnh hưởng của mở rộng Doppler. 4 • Nghiên cứu ảnh hưởng của sự định hướng mô men lưỡng cực điện lên sự thay đổi độ rộng và cường độ ngưỡng của lưỡng ổn định quang. • Nghiên cứu ảnh hưởng độ lệch pha của laser lên sự thay đổi độ rộng và cường độ ngưỡng của lưỡng ổn định quang. Nội dung nghiên cứu • Xây dựng bài toán tương tác giữa nguyên tử ba mức năng lượng cấu hình lambda với các trường laser, từ đó dẫn ra hệ phương trình ma trận mật độ.
