MỞ ĐẦU. Lí do chọn đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu. Bố cục luận án. LAN TRUYỀN CỦA ÁNH SÁNG VÀ CHUYỂN MẠCH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ NGUYÊN TỬ .1 Mô hình lý thuyết Maxwell - Bloch .1 Các phương trình Maxwell và phương trình sóng.2 Gần đúng hàm bao biến thiên chậm và gần đúng sóng quay .3 Phương trình Bloch cho hệ nguyên tử 3 mức cấu hình lamda .2 Sự tách mức nguyên tử và tách mức Zeeman .1 Sự tách mức năng lượng của nguyên tử Rubi .2 Hiệu ứng Zeeman .3 Một số hiệu ứng lượng tử trong môi trường nguyên tử kết hợp .1 Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ .2 Hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ (EIA) .3 Độ kết hợp được tạo bởi phát xạ tự phát (SGC).4 Chuyển mạch quang và phân loại .1 Khái quát về chuyển mạch quang .2 Các đặc trưng của chuyển mạch quang .3 Phân loại chuyển mạch quang toàn quang. LƯỠNG ỔN ĐỊNH QUANG VÀ ĐA ỔN ĐỊNH QUANG TRONG MÔI TRƯỜNG EIT DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TỪ TRƯỜNG NGOÀI VÀ PHA TƯƠNG ĐỐI .1 Tổng quan về lưỡng ổn định quang.
Nguyên lý lưỡng ổn định quang. Phân loại lưỡng ổn định quang .2 Nghiên cứu lưỡng ổn định quang (OB) và đa ổn định quang (OM) .1 Mô hình 2 mức suy biến và hệ phương trình ma trận mật độ .2 Phương trình lưỡng ổn định quang .3 Khảo sát ảnh hưởng của các tham số lên các đặc trưng OB .1 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ laser điều khiển. Khảo sát ảnh hưởng của tham số liên kết nguyên tử. Khảo sát ảnh hưởng của từ trường ngoài.
Khảo sát ảnh hưởng của pha tương đối. Mở rộng nghiên cứu về OB - OM trong hệ năm mức năng lượng. Mô hình năm mức cấu hình Λ+Ξ. Khảo sát OB - OM trong môi trường năm mức cấu hình Λ+Ξ .68 Kết luận chương 2.
LAN TRUYỀN XUNG VÀ CHUYỂN MẠCH TOÀN QUANG .1 Mô hình lý thuyết .2 Ảnh hưởng của các tham số lên động học lan truyền xung .1 Ảnh hưởng của cường độ laser điều khiển lên lan truyền xung dò .2 Ảnh hưởng của SGC lên lan truyền xung dò.3 Ảnh hưởng của pha tương đối lên lan truyền xung dò .4 Ảnh hưởng của bơm không kết hợp lên lan truyền xung dò .3 Chuyển mạch toàn quang trong môi trường nguyên tử ba mức lambda.1 Điều khiển chuyển mạch toàn quang thông qua trường điều khiển .2 Điều khiển chuyển mạch toàn quang thông qua pha tương đối .4 Mở rộng nghiên cứu cho môi trường nguyên tử năm mức cấu hình Λ+Ξ .97 Kết luận chương 3 .101 KẾT LUẬN CHUNG .102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ.104 TÀI LIỆU THAM KHẢO. Lí do chọn đề tài Hiện nay, việc điều khiển ánh sáng bởi ánh sáng là một trong những chủ đề thú vị và thực tế của quang lượng tử và quang phi tuyến bởi có những ứng dụng tiềm năng trong thông tin lượng tử, chuyển mạch toàn quang, bộ nhớ toàn quang và máy tính lượng tử [1, 2]. Việc điều khiển này được thực hiện khi chiếu một chùm laser đi qua thiết bị quang sẽ làm cho trạng thái lan truyền của nó bị biến đổi dưới tác dụng của một chùm ánh sáng khác. Theo cách này, tương ứng với một trạng thái cường độ đầu vào có hai trạng thái cường độ đầu ra khác nhau gọi là lưỡng ổn định quang (OB) hay có nhiều hơn hai trạng thái cường độ đầu ra khác nhau của chùm tín hiệu gọi là đa ổn định quang (OM); hoặc một chùm ánh sáng tín hiệu được bật/tắt theo sự biến điệu của một chùm ánh sáng khác được gọi là chuyển mạch toàn quang (AOS).
Các nghiên cứu trước đây trong môi trường nguyên tử hai mức truyền thống đã chỉ ra rằng nếu muốn các xung tín hiệu có thể lan truyền với hình dạng và biên độ không đổi giống như soliton thì công suất của chùm sáng phải mạnh hoặc các xung đầu vào cực ngắn [3, 4]. Điều này có thể gây ra các hiệu ứng nhiệt làm phá vỡ các tính chất quang của môi trường cũng như độ hấp thụ tại lân cận tần số cộng hưởng nguyên tử là rất lớn. Hơn nữa, tính phi tuyến tại tần số cộng hưởng của môi trường hai mức truyền thống rất nhỏ và có các tính chất quang thụ động nên các thiết bị chuyển mạch quang của môi trường hai mức không linh hoạt và có độ nhạy thấp. Điều này gây ra các hạn chế cho ứng dụng trong công nghệ quang tử hoạt động ở ngưỡng thấp.
Vì vậy, làm cách nào để tăng cường độ nhạy và tăng khả năng điều khiển được các đặc trưng trong chuyển mạch toàn quang là vấn đề đang được các nhà khoa học trong lĩnh vực này quan tâm nghiên cứu. 2 Để đáp ứng được nhu cầu về tốc độ, dung lượng truyền dẫn thông tin quang và tăng cường độ nhạy của chuyển mạch toàn quang hoạt động ở chế độ cường độ tín hiệu thấp thậm chí chỉ vài photon [5, 6], trong những năm gần đây đã có rất nhiều các nghiên cứu về các hiệu ứng kết hợp và giao thoa lượng tử trong các hệ nguyên tử nhiều mức năng lượng khác nhau được điều khiển bằng laser. Hàng loạt các hiệu ứng mới lạ đã được khám phá và một trong những hiệu ứng đó là hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) [7, 8]. Môi trường EIT không chỉ triệt tiêu hấp thụ tuyến tính [9, 10] mà còn làm tăng độ cảm điện phi tuyến trong vùng lân cận của tần số cộng hưởng nguyên tử [11-13].
Do đó, EIT được kỳ vọng sẽ có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như làm chậm vận tốc nhóm ánh sáng [14, 15], lưu trữ và xử lý thông tin quang [16, 17], quang học phi tuyến ngưỡng thấp và tăng cường phi tuyến Kerr [18 - 21], động học lan truyền xung ánh sáng và tạo ra các soliton quang học [22, 23], lưỡng ổn định quang và chuyển mạch toàn quang [24-42], v. Cần nói rõ hơn, lưỡng ổn định quang đã được nghiên cứu rộng rãi cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trong các môi trường nguyên tử khác nhau [43, 44]. Hầu hết các nghiên cứu ban đầu về OB đã được thực hiện trên hệ các nguyên tử hai mức được đặt trong các buồng cộng hưởng quang học [45] vì dễ tạo ra được đường cong trễ OB trong cả lý thuyết lẫn thực nghiệm. Tuy nhiên, do tính chất thụ động của mô hình này, OB chỉ có thể được điều khiển bằng cách thay đổi cường độ của chùm tín hiệu đầu vào mà cũng là tín hiệu nhận được ở đầu ra.
Do đó, hiệu suất biến đổi thấp và không thể điều khiển được cường độ ngưỡng chuyển mạch cũng như chu kỳ chuyển mạch. Vì vậy, các hệ nguyên tử nhiều mức đã được đề xuất để khảo sát đặc trưng OB và OM dưới hiệu ứng EIT [46-48]. Tận dụng các ưu điểm của môi trường EIT so với môi trường truyền thống, các tính chất quang của môi trường được thay đổi đáng kể bao gồm các đặc tính hấp thụ, tán sắc tuyến tính và phi tuyến [49], 3 nhờ vậy mà ta có thể điều khiển được đặc trưng OB hay nói cách khác là ứng dụng này sẽ tạo ra thiết bị OB chủ động và tối ưu được các tham số điều khiển [50, 51]. Hơn nữa, ảnh hưởng của giao thoa lượng tử và pha tương đối của các trường laser và tương tác cộng hưởng trạng thái tối đối với các đặc tính của OB cũng đã được nghiên cứu [52].
Mặc dù đã có nhiều khảo sát sâu rộng về chủ đề này nhưng các nghiên cứu này thường bỏ qua sự suy biến gây ra bởi hiệu ứng Zeeman. Hiệu ứng này ảnh hưởng rất lớn lên hệ nguyên tử khi có từ trường ngoài tác động, vì vậy cũng cần được xem xét khi hệ nguyên tử đặt trong từ trường ngoài. Hơn nữa vẫn cần một sơ đồ kích thích đơn giản để có thể dễ dàng thực hiện hơn trong thực nghiệm. Do đó, chúng tôi đề xuất khảo sát các đặc trưng của OB/OM trong hệ nguyên tử hai mức suy biến dưới tác dụng của từ trường ngoài và trình bày trong chương 2 của luận án này.
Bên cạnh nghiên cứu chuyển mạch toàn quang thông qua OB/OM trong trạng thái dừng thì các nghiên cứu về động học lan truyền xung ổn định có dạng soliton và chuyển mạch toàn quang ở trạng thái không dừng trong môi trường EIT cũng đã thu hút được sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trên thế giới bởi những ưu điểm vượt trội như tốc độ đáp ứng cao, công suất chuyển mạch thấp, độ suy hao tín hiệu rất nhỏ v. Một số nhóm nghiên cứu đã sử dụng một cách hiệu quả khi chuyển đổi qua lại giữa hiệu ứng EIT và hiệu ứng hấp thụ cảm ứng điện từ (EIA) dẫn đến sự hấp thụ được tăng cường tại tần số cộng hưởng nguyên tử để nghiên cứu điều khiển AOS [53, 54]. Điển hình, Schmidt và Ram [53] đã đề xuất chuyển mạch và bộ chuyển đổi bước sóng toàn quang dựa trên sự biến đổi hấp thụ tuyến tính trong môi trường EIT ba mức lambda. Cơ chế chuyển mạch này rất khác so với các phương pháp trước đó và dẫn đến các tính chất độc đáo của thiết bị, đáng chú ý nhất là các nhiễu loạn, chirp xung không đáng kể và bảo toàn định dạng dữ liệu.
Sau đó, Ham và các cộng sự đã tạo được AOS dựa trên trạng thái tối trong hệ ba mức 4 [35] và hệ bốn mức [36] trong tinh thể ion-pha tạp. Tiếp theo, bằng cách sử dụng trường laser được điều biến bằng tần số vô tuyến (RF) liên kết hai mức trên gần nhau và có thể tạo ra cộng hưởng tối kép trong hệ bốn mức bậc thang, nhóm của Yang [54] đã cho thấy động học lan truyền xung ánh sáng và AOS được điều khiển hoàn toàn bởi trường điều khiển RF bên ngoài. Kết quả này có thể được sử dụng như một loại biến điệu quang học và công tắc chuyển mạch toàn quang, mở ra khả năng tạo ra các thiết bị chuyển mạch mới. Gần đây, Hamedi [25] đã cho thấy rằng các đặc trưng của OB được liên hệ với AOS trong hệ nguyên tử năm mức dạng chữ Y ngược dưới sự điều biến của trường điều khiển.
Đặc biệt dựa trên cơ chế chuyển đổi giữa EIT và EIA, nhóm của Li cũng đã cho thấy AOS có thể điều khiển được trong môi trường nguyên tử 4 mức chữ N thông qua cường độ, tần số của trường chuyển mạch [42].