LỜI CẢM ƠN Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Tác giả xin bày tỏ lòng biết sâuVINH sắc đến thầy giáo hướng dẫn TRƯỜNG ĐẠI ơn HỌC PGS.TS Đinh Xuân Khoa với giúp đỡ mà thầy dành cho tác giả _*** _ suốt thời gian nghiên cứu vừa qua Thầy định hướng nghiên cứu, cung cấp tài liệu quan trọng nhiều lần thảo luận, dẫn cho tác giả khó khăn gặp phải trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo: TS Nguyễn Huy Bằng, TS.Dương Công Hiệp, GS.TSKH Cao Long Vân, MINH ĐÒNG thầy giáo, cô giáo trongHOÀNG khoa Vật Lý, nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập có nhiều ý kiến đóng góp quý báu trình thực đề tài Với tình cảm trân trọng, tác giả xin gửi lời cảm ơn, lời chúc sức khỏe tới gia đình, người thân yêu bạn bè giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả học tập nghiên cứu Vinh, thángDIODE 11 năm 2009 NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ LASER Tác giá BUỒNG CỘNG HƯỞNG MỞ RỘNG CHO BẪY QUANG TỪ CỦA NGUYÊN TỬ 85Rb Chuyờn ngành: Quang hũc Mó SŨ: 60441101 Hoàng Minh Đồng LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ MỤC LỤC Trang Lòi mở đầu Người hướng dẫn khoa học: XUÂN Chương Nguyên lýPGS.TS hoạt độngĐINH bẫy quang KHOA từ 1.1 Mô hình nguyên tử hai mức 1.1.1 Tương tác trường ánh sáng với vật chất Vinh- 2009 ầ 11 14 1.4 cấu trúc siêu tinh tế 16 1.4.1 Sự tách mức lượng 16 1.4.2 Dịch chuyển làm lạnh 21 1.5 Nguyên lý hoạt động bẫy quang từ 22 Chưong Cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ nguyên tử 8sRb 26 2.1 Laser diode 26 2.1.1 Mức lượng hạt tải điện môi bán dẫn 26 2.1.2 Sự hấp thụ xạ bán dẫn 30 2.1.3 Tiếp xúc p-n 32 2.1.4 Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy bán dẫn, buồng cộng hưởng laser điều kiện phát laser 33 2.1.5 Các phương pháp bơm cho laser bán dẫn 41 2.2 Nguyên lý hoạt động laser diode buồng cộng hưởng mở rộng 42 2.3 Cải tiến hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cho làm lạnh nguyên tử 85Rb 44 Kết luận chung 59 Tài liêu tham khảo 50 LỜI MỞ ĐÀU Từ đời laser vào năm 1960 Maiman chế tạo phòng thí nghiệm Hughes Research Aicraữ Malib-Caliphomia, từ laser phát triển công cụ mạnh vật lý quang phổ để nghiên cứu khám phá tượng Với tính chất kết họp, tính đơn sắc tính định hướng cao, mật độ công suất lớn, chùm laser đáp ứng yêu cầu thí nghiệm đòi hỏi lượng công suất lớn Ngày việc nghiên cứu ứng dụng Laser quan trọng hữu ích lĩnh vực khoa học, kỳ thuật công nghệ tiên tiến giới Các thành tựu bật laser ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, xây dựng, viễn thông, y học đặc biệt vật lý nguyên tử hạt nhân Một ứng dụng quan trọng chùm ánh sáng laser để làm lạnh bẫy nguyên tử Nó tập họp đám mây khoảng 106-ỉ-108 nguyên tử làm lạnh tới nhiệt độ từ pK đến vài trăm nK Hiện nay, để có laser đơn mode có độ đơn sắc cao (độ rộng phổ nhỏ 1MHz) với công suất lớn laser vòng Ti-Sapphire bơm laser ion Argon bơm laser rắn khác giải pháp nhiều trung tâm nghiên cứu giới sử dụng Hệ laser có ưu điểm công suất lớn, có miền điều hưởng bước sóng rộng, ứng dụng cho nhiều kỹ thuật phổ laser đại khác nhau, áp dụng cho làm lạnh nhiều loại nguyên tử khác Tuy nhiên, loại laser có giá thành cao Một giải pháp họp lí mặt kinh tế mang lại hiệu cao nghiên cứu thực tiễn sử dụng hệ laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng thí nghiệm vật lý nguyên tử hạt nhân, đặc biệt làm lạnh nguyên tử bẫy Ưu điểm việc sử dụng hệ laser diode chúng gọn nhẹ, giá rẻ hiệu suất cao Tuy nhiên laser diode có vùng phổ phát xạ lớn, mà trình làm lạnh nguyên tử cần tập trung vùng phổ hẹp thay đổi bước sóng laser trình làm lạnh nguyên tử Để khắc phục điều ta sử dụng hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow Littman-Metcalf Bằng buồng cộng hưởng mở rộng lựa chọn xạ có bước sóng xác định để đưa trở lại hoạt chất khuếch đại Với việc sử dụng buồng cộng hưởng mở rộng, ta thu hẹp độ rộng phổ phát vài trăm KHz (nhỏ laser diode thông thường hàng trăm lần) Bằng cách thay đổi góc tới cách tử, ta thay đổi bước sóng laser vùng phổ phát xạ để thích ứng cho trình chậm dần nguyên tử làm lạnh Vấn đề đặt ứng dụng hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng để làm lạnh nguyên tử bẫy quang từ hướng chùm đầu thay đổi, phụ thuộc vào quay cách tử cấu hình Littrow cấu hình Littman-Metcalf khắc phục điều cách đưa thêm gương phẳng phản xạ vào Tuy nhiên, cấu hình Littman-Metcalf có thiết kế phức tạp công suất đầu yếu so với cấu hình Littrow Chính nên việc ổn định hướng đầu cho laser diode bẫy quang từ quan trọng Để khắc phục hạn chế này, trình bày phương án ổn định hướng chùm đầu laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow dùng cho bẫy quang từ nguyên tử Rb 85, cách đưa thêm vào cấu hình Littrow lăng kính có thiết diện tam giác vuông cân kết hợp với cách tử nhiễu xạ vào buồng cộng hưởng Theo cấu hình này, ước lượng dịch chuyển ngang chùm khoảng 1.3pm điều hưởng 12.32 nm xung quanh bước sóng trung tâm 780 nm Trên sở phân tích lý nêu trên, với mục đích nghiên cứu làm lạnh nguyên tử 85Rb cho bẫy quang từ Trong khuôn khổ luận văn chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiền cứu cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ nguyên tử 85Rb” Cấu trúc luận văn phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, nội dung luận văn bao gồm hai chương: Chưong 1: Nguyên lý hoạt động bẫy quang từ Trong chương trình bày mô hình nguyên tử hai mức tương tác với trường ánh sáng, nguyên lý làm chậm chuyển động nguyên tử, hiệu ứng ảnh hưởng đến trình làm lạnh nguyên tử, cấu tạo siêu tinh tế nguyên tử 85Rb, từ biết cần sử dụng dịch chuyển cho trình làm lạnh cuối nguyên lý hoạt động bẫy quang từ >1 ' : w “ aỉ -dE -dE Chương 2: Cảibán tiếncổ hệđiển laserthì diode buồng cộng rộngtửcho Theo lý thuyết hệ nguyên tử hưởng hệmở luợng (hệbẫy mà 85 quang từ nguyên tử Rb Chương trình bày cấu trúc, cáccủa mức lượng hệ lượng cứu tử hóa ), cònlýtrường điện hoạt động laser diode từ làm sở nghiên nguyên hoạt động laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng Tiếp theo cải tiến buồng từ xem trường cổ điển (tức trường mô tả hàm cộng hưởng mở rộng hệ laser diode để ổn định chùm tia laser phục vụ cho trình làm lạnh bẫy nguyên tử thông thường £,5) Trong học lượng tử, có phương trình cho ma trận mật độ: %=L\prì- (1.1) õt ĩ] Bây ta khảo sát tương tác trường ánh sáng cổ điển với hệ hạt lượng tử gần lưỡng cực điện Giả sử trường ánh sáng laser có tần (1.2) có tần số chuyển mức là: Cữ0 Khi Hamiltoniên toàn phần hệ nguyên tử-trường là: H = H+H„ (1.3) (1.4) đây: H a = w2|2> M, 1|l> với d, E mô men lưỡng cực nguyên tử hai mức vàWcường độ trường laser (phụ thuộc thời gian) Một cách tổng quát, trường điện phức E = ettv + e~i0>ít (1.5) P\\ P\2 tử mật độ với thành phần: p = Pii P22 ; pu xác suất tồn mức ỉ), ptj xác suất chuyển hạt từ mức ỉ) sang mức j Khi ta viết lại phương trình (1.1) sau: (1-6) p A = — ip2i - P12); A = icooPi2 + — ÌP22- P11) 76 (1 -7) o 0-Q - r-H T&= A Í2 1& o o ỉSc u V 0 1/7; "o + _WeJTl_ w Ì(Q-Q*) í&= -Av + w Từ (1.7) (1.8) ta có: ậị, - A w-pa) i(n+n*)L Khi (1.13) trở ứiành: i&=Av + ^ : Ĩ1 w (1.9) (1.15) D Ỉ(Q—n ) Q+Q c = — *có - u V0 biến đổi xuất Chú ý: công thứcw ftrên xuất G} 22 hiệu lượng hai mức Để thuận tiện cho tính toán sau, ta định Đe đơn giản, ta giả sử: E = E*; Q = Q*, (1.15) có dạng: nghĩa biến số mới: &= -Av Pn (0 = 0-21 ; p212 (0 = ơa (t)eiE2-EX (2.20) hay Điều kiện (2.20) điều kiện nghịch đảo độ tích lũy có dịch chuyển a) Khỉ chưa cỏ trường vùng Điều kiện nhiều biến đổi tùy theo chất bán dẫn Với chất bán dẫn trực tiếp độ rộng vùng cấm A = E - E l Khi điều kiện (2.20) trở thành: b) Khi đặt trường (2.21) FC-FV>A theo phân cực thuận Với bán dẫn gián tiếp có tham gia phônon nên ta có: (2.22) Fc-Fv> A±ổ, 2.1.4 Đỉều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy bán đó: ổ = r\ũ)p - lượng phônon dẫn, buồng cộng hưởng laser điều kiện phát laser + Dịch chuyển vùng mức tạp chất a Đỉều kiện nghịch đảo độ tích lũy bán dẫn Dịch chuyển vùng mức tạp chất xảy chất bán dẫn bị phalaser tạp Do cần mức chất thường nằm ởđảo gầnmật vùng nênlũy Để phát phải tạp có điều kiện nghịch độ tích tứcxảy tích thoát nhanh điện tử lỗ trống mức tạp chất số dịchDo chuyển tải từ vùng vùngđược hóa xác trị phải hạt vùng đó, sựcác lấphạtđầy mức dẫn tạp xuống chất địnhlớn bởihơn cácsốmức chuẩn củatừcác hạthóa tải vùngdẫn tương ứng Khi ừình điều nghịch tải dịchFermi chuyển vùng trịtrong lên vùng nghĩa bứckiện xạ lớn đảo mật độ tích lũy xác định dạng: trình hấp thụ Cố khả dịch chuyển quang học bán dẫn: £C-£V=A-|£,.|, (2.23) + Dịch chuyển gỉữa vùng: với Ei lượng liên kết hạt tải mức tạp chất * Quá trình dịch chuyển từ vùng dẫn xuống vùng hóa trị phải tỷ lệ với xác suốt có chuyển ừạng thái vớicác lượng E vùng dẫn bị chiếm, xác suất có + Dịch mức tạp chất ừạng Khi thái chất với lượng vùng để ừống E2 Jl - /vgiữa (EÌ )],các tỷ lệ vớitạp bán dẫn bị Ei pha tạp cóhóa thểtrịxảy dịchfe (chuyển mức chất, dịch chuyển mức tạp chất hoàn toàn giống dịch chuyển hệ số Einstein xạ cưỡng B21 mật độ lượng xạ p nghĩa 34 35 N w n> (2.24) ơc P + Wp+T đó: Wp xác suất dịch chuyển hạt tải từ vùng hóa trị lên vùng dẫn; No mật độ hạt tải vùng hóa trị; tiết diện phát xạ hay hấp thụ hạt tải; p(v) mật độ photon phát xạ; r=l/x với X thời gian sống hạt tải mức tạp chất; c vận tốc ánh sáng b Buồng cộng hưởng laser bán dẫn Có nhiều loại buồng cộng hưởng laser bán dẫn, đơn giản buồng cộng hưởng kiểu Fabry-Perot Từ tinh thể bán dẫn tạo buồng cộng hưởng quang học Fabry-Perot cách cắt (lưu ý đến trục tinh thể trục phân cực nó) thành khối hộp hình chữ nhật nhỏ, hai mặt phẳng song song với lớp tiếp xúc làm mờ không cho ánh sáng qua, hai mặt phang vuông góc mạ để làm gương laser, gương laser có hệ số phản xạ cỡ 35% Lý thuyết trường điện từ cho ta thấy cường độ trường buồng cộng hưởng khác phân tích thành chuỗi hàm phụ thuộc vào ba tham số Mỗi thành phần ứng với dao động (hay nói cách khác mode), ký hiệu TEMmnq Hai số đầu (m,n) ứng với hàm mô tả cấu trúc ngang dao động (dạng dao động ngang-TEM mn) Mỗi dao động ngang ứng với hàng loạt dao động dọc cách nửa bước sóng, xếp theo chiều dài buồng cộng hưởng Các dao động ứng với số q Mỗi dao động ứng với tần số riêng vmnq Thực tế số dao động dọc (mode dọc) laser xác định độ rộng vạch huỳnh quang hoạt chất dạng buồng cộng hưởng Sau ta nghiên cứu yếu tố xác định cấu trúc mode dọc mode ngang trường buồng cộng hưởng Mode ngang: cấu trúc ngang gắn với tán xạ xạ phản xạ gương mát tán xạ chi tiết quang giới hạn độ chùm tia Anh hưởng tán xạ lên phân bố trường điện từ buồng cộng 36 hưởng nghiên cứu ưên sở nguyên lý Huygen-Fresnel Theo nguyên lý này, phản xạ ngang xạ gương làm cho truyền lan vào hoạt chất nhiều lần, giống truyền lan qua nhiều khối gần trục có kích thước giống nhau, song song với nhau, mà qua khối sóng khuếch đại (hình 2.8) Hình 2.8 a) Giao thoa kế Fabry-Perot; b) Tương tự dãy hoạt chất c) Sự thay đổi phân bỗ ngang trường theo sỗ lần qua hai gương Mô tả nói ttên đủng kích thước gương lớn nhiều lần bước sóng, giới hạn cho mode ngang trường điện từ phân cực đồng ưong phương Khi trường y/p vừng Fresnel gây mặt gương diện tích A mô tả bởì tích phân mặt •L -ỉis khoảng cách từ mặt gương đến vị trí quan sát, góc gữa véc tơ R với pháp tuyến mặt gương Điểu thức (2.25) nói rằng: trình phản xạ ừên gương buồng cộng hưởng, thời điểm trường gương thứ liên quan với trường phản xạ từ gương thứ hai Sau nhiều lần qua lại ừong buồng cộng hưởng, phân bố trường thay đồi nhỏ dần từ lần phản xạ đến lần phản xạ khác cuối trở thành ồn định Hình 37 t t ịt 11 t t ttt t ịịị t TtT ị1* ịịị 111 ị 111 t t thái ổn đỉnh trường hợp phân bố ban đầu củã trường 2.8c cho thấy ừạng 11 t t đồng nhốt Trong trình phản xạ trường thay đồi biên nhiều tâm Sau nhiềuTEMoo lần phản xạ trường biên nhỏ dần, mát nhiễu xạ biên nhỏ tâm TEMio TEM lũ Tích phân (2.25) lặp lại sau lần phản xạ gương, viết lại sau: TEMoo Vn ix> y)^~ \Wn-iTEMn {*'>y )^- (l + cos Ò)đx-dy X (2.26) x HìnhPhân 2.10.bố Phân ổn định haiổn chiều bố trường đạt địnhcủa khi:biên độ trường \ựm n( >y) (2.27) y/n(x,y)=Cựn_ỉ(x,y) Hệ suy giảm c không phụtảthuộc y, phản mát Trênsố hình 2.9 2.10 mô phân vào bố Xtrường ánh số mode ngang nhiễu diễn bố nhưmột sau:chiều biên độ iỊỉ{x) vài mode, TEMmnxạ Hình 2.9biểu phân (2-28) c = (l-r*r«" hình 2.10 phân bố hai chiều không gian hai chiều Các mũi tên ừong ỵnhx2.10 phần mátđược cườngpha độ trường nhiễu ngang độ lệchcủa ừong hình cho ta biết trường laser xạ, tiết y)=MJ]V „-1 (*'.y'(! + cose)dxdy (2.29) Các mode có m >0 V, n >0 gọi mode ngang bậc cao Sự phụdoc thuộc buồng độ dịchcộng phahưởng nhiễu xạ học đốỉ vớitồn cáctạimode thỏa đứng mần Mode : Trong quang sóng điều yêu cầulan khoảng haitrục gương số sựkiện giaocộng thoahưởng, cácđặt sóng phăng truyềncách theogiữa quang theobằng hướng nguyên lần Ằ/2 Đâyxạchính điều kiện tạo sóng buồng ngược phản từ hailàgương hình 2.11 Các đứng sóng gọi làcộng hưởng, haydọc điều kiện hiệnmode mode dao động hay gọixuất dọc Khoảng cách hai bụng sóng liên TEMQQ tiếp nửa bước sóng Trong buồng cộng hưởng quang học, khác với hốc cộng hưởng mỉcro độ dài buồng cộng hưởng lớn nhiều so với bước sóng Do buồng cộng hưởng quang học có rốt nhiều mode dọc, sé mode dọc số nguyên lần nửa bước sóng so sánh với độ dài buồng cộng hưởng BướcHình sóng2.9 Phân mode bỗ dọcổnđược sau:trường y/m n(x) địnhtính mộttheo chimcông thức biên độ 39 38 Vq Ln Hình 2.11 Các moảe dọc buồng cộng hưởng quang học ứng với công thức tính bước sóng ta có công thức tính tần số: qc (2.31) ưong n ỉà chiết suất mồi trường buồng cộng hưởng, c vận tốc ánh sáng chân không Khi đố tần số mode là: _fe + l)g Vi 2Ln = (2.32) Từ (2.31) (2.32) ta có độ lệch tần hai mode lân cận liền nhau: Av = (2.33) 2Ln Hình 2.12 Phổ mode buồng cộng hưởng vạch huỳnh quang hoạt chất Với biểu thức từ (2.30) đến (2.33), ví dụ độ dài buồng cộng hưởng L = 50cm, chiết suất n = ta nhận 10 mode khác vùng nhìn 40 ngưỡng, mode nằm gần đỉnh vạch huỳnh quang phát Nhưng khuếch đại mạnh, vượt hẳn ngưỡng tất mode nằm vạch huỳnh quang phát Hiện laser bán dẫn (buồng cộng hưởng mở) sử dụng phản hồi quang bên sử dụng rộng rãi thông tin quang, quang phổ laser làm lạnh nguyên tử c Điều kiện phát đổi vói laser bán dẫn Điều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy điều kiện cần laser bán dẫn, để phát laser xạ tái họp cần khuếch đại buồng cộng hưởng độ khuếch đại cần phải lớn hom mát buồng cộng hưởng Theo lý thuyết khuếch đại ánh sáng buồng cộng hưởng ta có điều kiện r.e(K~a)L> 1, (2.34) đó: r hệ số phản xạ, K hệ số khuếch đại, a hệ số mát, L chiều dài buồng cộng hưởng Như vậy, ta có điều kiện: K> a với a = aữ + ỵ^ai (2.35) i Với laser bán dẫn mát chủ yếu hấp thụ ao; mát nhiễu xạ, tán xạ khuyết tật bán dẫn Khi K = Ỵ ta có điều kiện ngưỡng phát Tùy theo dịch chuyển tái họp xảy vùng hay mức tạp chất mà xác định biểu thức cụ thể K + Với dịch chuyển hai mức tạp chất; hệ số khuếch đại xác định tương tự laser hoạt động theo mức lượng + Với dịch chuyển hai vùng lượng; hệ số khuếch đại K phải tỷ lệ với hệ số dịch chuyển hay xác suất dịch chuyển cưỡng 41 a Phương pháp bơm điện trường Đây phương pháp bơm cách đặt điện trường mạnh vào chất bán dẫn Dưới tác động điện trường điện tử đẩy trực tiếp từ vùng hóa trị lên vùng dẫn (hiệu ứng Ziner) để lại lỗ trống vùng dẫn tạo nên nghịch đảo mật độ điện tử-lỗ trống bán dẫn Phương pháp áp dụng với chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm hẹp, độ linh động hạt tải lớn khối lượng hiệu dụng hạt tải nhỏ như: GaAs, InSb b Phương pháp bơm quang Là phưong pháp phổ biến với chất bán dẫn có khả phát quang Sự nghịch đảo thu nhờ dịch chuyển gián tiếp đó, đồng thời với phát xạ photon có xạ phonon Xác suất trình nói chung nhỏ Theo phương pháp này, vai trò định khả hấp thụ photon sóng ngắn dẫn tới mát lượng lớn tích thoát hạt tải mức thấp, hấp thụ ton sóng dài không dẫn đến kích thích hiệu suất thấp Ngoài với ánh sáng kích thích dải rộng gặp phản xạ ánh sáng bề mặt biên làm giảm hệ số hiệu dụng Trong thực tiễn, để tránh hạn chế người ta sử dụng nguồn laser để kích thích laser bán dẫn chuyển xạ laser từ vùng bước sóng ngắn (bức xạ laser thủy tinh) sang vùng bước sóng dài (bức xạ laser bán dẫn) c Phương pháp bơm chùm điện tử Phương pháp dùng chùm điện tử có lượng lớn bắn vào chất bán dẫn chủ yếu áp dụng với chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm lớn Nhược điểm phương pháp dễ tạo nên khuyết tật bán dẫn làm tăng dịch chuyển không phát xạ d Phương pháp phun hạt tải không cân qua lớp tiếp xúc p-n Phương pháp sử dụng điện trường bên đặt lên chất bán dẫn tạo dòng dịch chuyển p-n theo chiều thuận Khác với phương pháp kích thích dùng chùm điện tử, phương pháp không đòi hỏi điện trường cao làm việc chế độ liên tục Ưu điểm phương pháp 42 hiệu suất bơm đạt gần tới 100% Nội dung phuơng pháp hiểu sau: hai chất bán dẫn loại p loại n để tiếp xúc với nhau, tiếp xúc có hiệu tiếp xúc, tương ứng với hiệu mức Fermi phần p n Hiệu ngăn cản khuếch tán điện tử lỗ trống qua miền tiếp xúc p-n Tuy nhiên, hiệu điện đặt theo chiều thuận, chắn bị giảm, làm dễ dàng dịch chuyển điện tử lỗ trống qua lớp tiếp xúc tạo nghịch đảo mật độ tích lũy Trên sở có nghịch đảo mật độ tích lũy, phát laser Nguyên tắc làm việc chung laser bán dẫn là: sau nhờ kích thích bán dẫn có nghịch đảo mật độ tích lũy, sau thời gian ngắn điện tử lỗ trống chuyển động để tái hợp xạ tia laser có cường độ lớn Như so với laser khác nguyên tắc làm việc laser bán dẫn tạo nên tái họp điện tử - lỗ trống Chính tái họp xảy vùng tương , đôi lớn so với kích thước hạt tải nên độ rộng xạ cỡ AẦ = 45Ẩ Khi giảm nhiệt độ, nói chung AẤ giảm mật độ dòng tăng, AẤ giảm Hiểu chế kích thích nguyên tắc làm việc laser bán dẫn dễ dàng hiểu đặc trưng xạ laser bán dẫn thu từ thực nghiệm 2.2 Nguyên lý hoạt động laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng Với ưu điểm tính năng: gọn nhẹ, giá rẻ hiệu suất cao [1,2], laser diode sử dụng rộng rãi nhiều thí nghiệm vật lý nguyên tử hạt nhân, đặc biệt làm lạnh nguyên tử Tuy nhiên làm lạnh nguyên tử ta cần laser có vùng phổ phát xạ hẹp thay đổi bước sóng phổ phát xạ Để giải vấn đề này, đơn giản sử dụng buồng cộng hưởng lọc lựa như: cách tử Littrow cách tử Littman Khi sử dụng thêm cách tử vào buồng cộng hưởng lựa chọn thành phần bước sóng thích họp cho trình làm lạnh quay trở lại hoạt chất để tiếp tục khuếch đại Do thu hẹp vùng phổ phát xạ tần số laser diode lớn hàng GHz xuống 43 vài trăm MHz, giảm hàng trăm lần Ngoài nhằm mục đích thu hẹp vùng phổ phát xạ laser, buồng cộng hưởng có khả thay đổi bước sóng cho phù họp với tốc độ dịch chuyển nguyên tử trình làm lạnh Hình 2.13a cấu hình laser diode buồng cộng hưởng mở rộng Littrow Đây thiết kế đơn giản kiểu laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng Trong sơ đồ này, bước sóng điều hưởng độ dài buồng cộng hưởng bước sóng ánh sáng quay trở lại bị thay đổi, cách quay cách tử quanh trục Laser điode Laser diode Chùm Hình 2.13 Cẩu hình Lỉttrow (a) Lỉtừnan-metcaĩý(b) Tuy nhiên, laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình kiểu Littrow lại có nhược điểm hướng chùm tia đầu phụ thuộc vào quay cách tử mà trình làm lạnh nguyên tử chùm tia laser cần ổn định không gian định Để khắc phục nhược điểm Littman sử dụng thêm gương phang đặt song song với cách tử hình 2.13b Trong laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littman - Metcalf, ánh sáng nhiễu xạ bậc từ cách tử đưa tới gương phẳng chùm sáng phản xạ gương phẳng nhiễu xạ lần cách tử quay trở lại Laser diode Khi đó, bước sóng điều hưởng quay cách tử mà gương Khi này, hướng chùm đầu 44 độc lập với bước sóng lại bị dịch ngang (sang bên) [5] Tuy ổn định chùm tia đầu theo hướng, song thiết kế LittmanMetcalf chùm laser lại bị dịch chuyển ngang, cấu tạo phức tạp công suất đầu trở nên yếu so với laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow chùm sáng bị nhiễu xạ nhiều lần trước thoát Mặt khác, khó chế tạo kiểu Laser diode buồng cộng hưởng mở rộng mà trục chùm đầu không thay đổi để thay laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow Với phân tích việc ổn định hướng chùm đầu laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng khâu quan trọng trình làm lạnh nguyên tử hay kết nối vào sợi quang Quá trình làm lạnh nguyên tử hay kết nối quang thực thể tích (không gian) định Nếu hướng chùm đầu thay đổi thay đổi bước sóng cho phù họp với tốc độ nguyên tử trình làm lạnh gây hiệu ứng Doppler hay nóng lên hoạt chất trình làm lạnh nguyên tử bị phá vỡ Để khắc phục hạn chế này, trình bày cải tiến để giảm dịch chuyển ngang chùm đầu hệ laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow dùng cho bẫy quang từ nguyên tử 85Rb 2.3 Cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho làm lạnh nguyên tử 85Rb Ở đây, để ổn định trục chùm đầu hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow Chúng xét hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow sử dụng thêm lăng kính tam giác vuông cân Cấu hình mô tả hình 2.14 45 a3 a5 "ãĩH a1 7!+ Laser diode X ( C C )=42( R -R g )+ toàn phần n > l/sin(¥5ớ + P) Sau chùm sáng tới mặt c góc /? B LV ( RG- — Rb} bị khúc xạ góc a Khi quay lăng kính góc a, chùm ( n) J đầu song song với chùm tới cách tử không phụ thuộc vào quay, bước sóng Xét dịch chuyển chùm ra, gọi khoảng cách chùm đầu chùm tới cách tử lầx, X thu đuợc nhu hàm góc quay a, theo quang hình học ta có: x{a) — [(V2i?a -RẤ+RC )tanp + -\Ỉ2{RB - RG )jcosa + -Rc - 4ĨRG )sin a, (2.37) đó: R A , RB, Rc RQ khoảng cách từ trục quay tới mặt lăng kính Ả, B, c mặt cách tử, tưomg ứng cần ý dịch chuyển bên x(a) không phụ thuộc vào khoảng cách từ trục quay đến chùm laser tới Laser hưởng hình Lỉttrow cách tử, Hình RLD- 2.14 VÌ góc a rấtdỉode nhỏ buồng nên ta cộng khai mở triểnrộng hàmcẩu x(a) theo chuỗi 2n+l với lăng kỉnh tam giác giảm• = ẳ(-l)" dịch achuyển ngang chùm n Trong đó, mặt lăng kính kí (2n hiệu A, B, c Cả cách tử = +1)!mặt B song song với mặt cách lăng kính gắn chặt bảngn cho = tử + không cosa =phụ 1- thuộc vào quay0 bảng xung quanh trục quay Một 4! đã6!được chuẩn trực với thấu kính chiếu tới chùm sáng từ laser2!diode cách tử Ở đây, bước sóng ánh sáng nhiễu xạ bậc quay trở SUI lại a laser diode xác định «tan/?; biểutheo thức: + sin/? định luật khúc xạ ánh sáng: sin/?: 00 X =trong 2dsind, (2.36) Thay sina, cosa sin/? vào phưomg trình (2.37) lấy đến vô bé bậc tađó: được: d 6là chu kỳ vạch cách tử góc tới cách tử tưomg ứng Chu — ỤĩRg -R A +R C )sina + 4Ĩ{RB -R g ) COSa + 6?^ -R c -4ĨR G)sina kỳ d lựa chọn cho bước sóng phương trình (2.36) thỏa mãn góc tới = 45° Giả thiết góc tới tạo thành = 45° + a J quay bảng ngược chiều kim đồng hồ thấy hình 2.14a Tia sáng = ^RB-RA+RcỊa-^y^{RB-Re)ịl-^yịpA-Rc-j2Reịl-^' phản xạ cách tử quay góc 2avầ chiếu tới mặt bên Ả góc a = -Ụ2R B -R A +R c )a + ^2{R B -R G ịl- ũ ^y(R A -R c -42R G )a + o(a ) Sau khúc xạ góc p = acrsin[(sina)/n] (n: chiết suất tỷ đối lăng V2 {định R - R ~ịl- - chùm -R csáng )+ V2^ R JB a -tại góc 45° + p bị + phản (« ) xạ kính)=theo luật)+Snell, tới- mặt Suy ra: B G G 47 46 R-B RG chuyển bên ước lượng xấp xỉ \2( R B -RG)ầ.a a= 158ụm_ cách aứiay + (na 3=ì v '(2.38) vào phương trình (2.38) Ở đây, Aa 0.89° trường họp Khi « lraí/,chúng ẺỂál Bởi Cuốia cùng, tôi~lập luậnvây vài chon sai sốmôt cócấu thểhình làm laser giảm đặc da trưng thiết bị so với điều kiện lí tưởng, xếp hình học thành phần quang học Từ phương trình (2.37) dịch bên chùm đầu diode buồng hưởngvimở rộng cho A] = 0, phương trình ta cộng phạm điều hưởng củathì từchúng (2.38) cho: («-l)(i? (2.39) c-i?J+V2(«i?G-i?iỉ) = x(-0.92°)-*(-0.03°)=(-5.2i^-14.1R B +5.2R C +22R G Ỵo~ Vì vậy, dịch chuyển Hình 2.14b giản đồ cho thấy vạch sáng góc quay a=0 so sánh với bên hệ thống phần lớn phụ thuộc vào xếp vị trí cách tử dịch chuyển trường họp góc quay a >0 tương ứng hình 2.14a Chẳng hạn, RG lệch 0.1 mm từ giá trị lý tưởng, dịch chuyển Từ hình 2.14a 2.14b thấy chùm đầu ổn định không phụ chùm đầu 2.2 pm phạm vi điều hưởng chúng Giá trị thuộc vào góc quay khúc xạ mặt bên phản xạ toàn phần bên nhỏ nhiều so với giá trị 158 pm trường họp sử dụng lăng kính gương thay lăng kính lập luận Hình 2.14c biểu thị phụ Độ biến thiên dịch xấp xỉ thuộc Ax(«) vào(thặng a chodư) trường họp chuyển RG lệchbên Ax(«) 0.1 vàđược - 0.1xem mm, tương số hạng phương trình ứng Cóbậc thểhai thấy đường bậc hai vẫn(2.38) giữ vai trò chủ yếu dịch chuyển Ax{a) = -R^^a2 (2.40) chùm \a\ > 1° Sai số khác tán sắc chiết suất lăng kính Tuy nhiên thay đổi số thủy tinh BK7 phạm vi điều hưởng Đường nét10^, liền hiệu nét đứtcủa hình 2.14c tương biến thiên chúng cỡ ứng chùm dịch chuyển ứng với nhỏđộ (khoảng 0.1 Ax(a) trình pm), vàđãhiệu ứngtính rõ tán ởsắcphương không đáng(2.37) kể cho giá trị gần phương trình (2.40) tương ứng Ở đây, chứng ta lấy ì/d =1800 vạch/mm, R A = Kết luận chương 39.0 mm, RB = 29.2 mm, Rc = 27.8 mm, RG = 22.0 mm n = 1.51 trường họp đặc trưng thỏa mãn phương trình (2.39) Có thể xem gần Trongtrình chương này, tôivới trình nội dung theo phương (2.40) chúng phù họp phạmbày vi sai số 10% \a\sau: < 5°, tương ứng với- khoảng sóng 137 Nguyênbước lý hoạt động củanm laser diode Trong cấu hình, đưa từ phương trình (2.36) điều hưởng - Nguyên lý hoạt động laser diode buồng cộng hưởng mở rộng bước sóng từ X, = 772.93 nm tới X = 785.25 nm tương ứng với quay từ a = - Đề xuất phương án cải tiến hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng 85 hưởng, ví dụ Ax(0.92° tới a = - 0.03° chuyển bênnguyên tử điều cấu- hình Littrow dùng cho bẫydịch quang từ Rb cách đưa 0.92°) thêm lăng kính có thiết diện tam giác vuông cân kết họp với cách 48 49 KẾT LUẬN CHUNG Trong luận văn này, trình bày tổng quan sở lý thuyết làm lạnh nguyên tử, nguyên lý hoạt động bẫy quang từ, laser diode ứng dụng hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng vào bẫy quang từ để làm lạnh nguyên tử 85Rb Luận văn trình bày đuợc kết sau Tổng quan nguyên lý hoạt động bẫy quang từ Lý thuyết laser diode, hiểu cấu trúc hoạt động laser diode qua cấu trúc vùng lượng bán dẫn Đề xuất phương án cải tiến hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow cách đưa thêm lăng kính có tiết diện tam giác vuông cân kết họp với cách tử nhiễu xạ buồng cộng hưởng Kết thu từ cấu hình giảm dịch chuyển ngang chùm đầu 1.3|jm điều hưởng khoảng bước sóng 12.32 nm xung quanh bước sóng trung tâm 780 nm Với sơ đồ này, đơn giản tạo nguồn laser điều hưởng với giá rẻ, gọn nhẹ thích họp cho trình làm lạnh nguyên tử cho bẫy quang từ hay ghép nối vào ống dẫn sóng cỡ micromet với hiệu suất cao để thay hệ thống laser đắt tiền Một phần kết luận văn công bố tạp chí khoa học số 2A tập 38 trang 21 - 25, năm 2009 trường Đại học Vinh Do điều kiện thời gian kinh phí nên chưa tiến hành phần thực nghiệm đề tài Đây nội dung cần phát triển thời gian tới 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Long Vân, Đinh Xuân Khoa, M.Trippenbach, Nhập môn Quang học phỉ tuyến, Đại học Vinh 2003 [2] Hồ Quang Quý, Vũ Ngọc Sáu, Laser bước sóng thay đổi ứng dụng, Đại học QGHN 2005 [3] Đinh Văn Hoàng, Trịnh Đình Chiến, Vật ỉỷ laser ứng dụng, NXB Đại học QGHN [4] Đinh Văn Hoàng, cấu trúc phổ nguyên tử, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp Hà Nội - 1974 [5] Akifumi Takamizawa, Lỉttrow-type extemal-cavỉty dỉode laser with a triangularprỉsm for suppressỉon of the lateral shỉft of output beam, Review of scientiíĩc instruments 77-046102 (2006) [6] Jerzy Zachorowski, Tadeusz Palasz and Wojciech Gawlik, MagnetoOptical Trap for Rubidium Atoms, Uniwersytet Jagiellonski, Reymonta 4, 30 059 Kraków [7] Daniel Adam Steck, Rubỉdỉum 85 D Lỉne Data, Oregon Center for Optics and Department of Physics, University of Oregon [8] G p Barwood, p Gill, andw R c Rowley, Frequency Measurements on Optỉcally Narrowed Rb-Stabỉlỉsed Laser Diodes at 780 nm and 795 nm, Applied Physics B 53, 142 (1991) [9] A.Baneĩjee, D Das, and V Natarajan, Absoluteỷrequency measurements of the DỊ lỉnes in 39K, 85Rb, and 87Rb with ~ 0.1 ppb uncertaỉnty, Europhysics Letters 65, 172 (2004) 51 [...]... phát xạ của laser, buồng cộng hưởng này còn có khả năng thay đổi bước sóng cho phù họp với tốc độ dịch chuyển của nguyên tử trong quá trình làm lạnh Hình 2.13a là cấu hình laser diode buồng cộng hưởng mở rộng Littrow Đây là thiết kế đơn giản nhất trong các kiểu laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng Trong sơ đồ này, bước sóng có thể được điều hưởng khi độ dài buồng cộng hưởng và bước sóng của ánh... tế vạch D2 của nguyên tử 85Rb 1.5 Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ Bay quang từ là hệ thống sử dụng để làm lạnh và bẫy các nguyên tử bằng các chùm ánh sáng laser Như đã phân tích ở trên, bình thường các nguyên tử ở thể khí chuyển động (tức là có vận tốc hay động lượng) hỗn loạn 23 theo mọi hướng, sự chuyển động nhanh hay chậm dẫn đến hệ quả là nhiệt độ của hệ cao hay thấp Khi nguyên tử đặt trong... các đặc trưng của bức xạ laser bán dẫn thu được từ thực nghiệm 2.2 Nguyên lý hoạt động của laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng Với các ưu điểm và tính năng: rất gọn nhẹ, giá rẻ và hiệu suất cao [1,2], laser diode hiện nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều thí nghiệm vật lý nguyên tử và hạt nhân, đặc biệt là làm lạnh nguyên tử Tuy nhiên khi làm lạnh nguyên tử ta cần những laser có vùng phổ phát xạ... (7, J) không cựcTừ từ. (1.41) Hệ sốtaAthấy hfs của trạng thái cơ bản được tính từ [11], các hệ số của 5 đổi 2giá P /2trị số gia năng lượng của mức phụ thuộc vào số lượng tử F Mômen 3 > —> là trung bình của các giá trị từ [11] và [8] Hệ số Ahfs của 5 2PI/2 là trung toàn phân F của nguyên tử được cho bởi: 20 19 của các giá trị từ các phép đo gần đây củã [8] và [9] cấu trúc siêu tinh tế của 85 Rb, với sự... một nửa bước sóng Trong buồng cộng hưởng quang học, khác với hốc cộng hưởng mỉcro là độ dài buồng cộng hưởng lớn hơn nhiều so với bước sóng Do đó trong buồng cộng hưởng quang học sẽ có rốt nhiều mode dọc, sé 0 mode dọc là số nguyên lần một nửa bước sóng so sánh với độ dài buồng cộng hưởng BướcHình sóng2.9 của Phân mode bỗ dọcổnđược sau:trường y/m n(x) địnhtính mộttheo chimcông của thức biên độ 39 38... laser đom sắc và hệ thống từ trường ngoài Hệ thống này được gọi là Bay Quang Từ Bằng các kỹ thuật phổ laser, người ta đã đo được nhiệt độ của hệ nguyên tử trong bẫy quang từ vào cỡ vài trăm |J,K (nhiệt độ này phụ thuộc vào loại nguyên tử được làm lạnh, phụ thuộc vào điều kiện chân không của hệ làm lạnh, phụ thuộc vào độ đơn sắc, độ phân cực, độ ổn định cường độ, cường độ của các chùm tia laser) Kết luận... nội dung sau: - Mô hình nguyên tử hai mức tương tác với trường ánh sáng, các hiệu ứng xảy ra trong quá trình làm lạnh nguyên tử - Sự tách mức năng lượng của nguyên tử 85Rb và quá trình dịch chuyển làm lạnh giữa các mức - Cơ sở nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ Tuy nhiên, trong quá trình làm lạnh và giữ các nguyên tử trong bẫy thì có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất của bẫy mà chúng ta cần hạn... chuyển Dj nguyên tử 85Rb, với tần sỗ tách mức giữa các mức năng lượng siêu tinh tế Những giá trị trạng thái kích thích lấy từ [8, 9] vá giá trị trạng thái cơ bản từ [11] 1.4.2 Dịch chuyển làm lạnh Để bẫy các nguyên tử 85 Rb chúng ta sử dụng dịch chuyển cộng hưởng 52SI/2 —> 52P3/2 (tương ứng vạch D2 , Ằ=780 nm) cho làm lạnh các nguyên tử Trong các thành phần cấu trúc siêu tinh tế của nguyên tử 85Rb (như... hưởng mở) sử dụng phản hồi quang bên ngoài đang được sử dụng rộng rãi trong thông tin quang, quang phổ laser và làm lạnh nguyên tử c Điều kiện phát đổi vói laser bán dẫn Điều kiện nghịch đảo mật độ tích lũy mới chỉ là điều kiện cần đối với laser bán dẫn, để có thể phát ra laser thì bức xạ tái họp cần được khuếch đại trong buồng cộng hưởng và độ khuếch đại cần phải lớn hom mất mát trong buồng cộng hưởng. .. tỉa laser đã nói ở trên Vì sự cổ mặt của từ trường này nên khi các nguyên tử lệch khỏi tâm này sẽ bị dịch chuyển mức năng lượng của nó (hiệu ứng zeemann) nên sẽ hấp thụ photon của chùm laser truyền tới, nghĩa là nguyên tử bị đẩy lùi trở lại tâm đối xứng của từ trường Theo cách này thì các nguyên tử sau khỉ được 25 làm lạnh thì sẽ được giữ lại trong một không gian xác định nhờ tổ họp của 6 chùm tia laser ... chùm đầu hệ laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow dùng cho bẫy quang từ nguyên tử 85Rb 2.3 Cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho làm lạnh nguyên tử 85Rb Ở đây,... khuôn khổ luận văn chọn đề tài nghiên cứu là: Nghiền cứu cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ nguyên tử 85Rb Cấu trúc luận văn phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo,... hệ iển laserthì diode buồng cộng rộngt cho Theo lý thuyết hệ nguyên tử hưởng h mở luợng (h bẫy mà 85 quang từ nguyên tử Rb Chương trình bày cấu trúc, cáccủa mức lượng hệ lượng cứu tử hóa ), cònlýtrường