Nghiền cứu cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ của nguyên tử 85rb

ta có thể thay đổi bước sóng của laser trong vùng phổ phát xạ của nó để thíchứng cho quá trình chậm dần của nguyên tử trong làm lạnh.Vấn đề đặt ra khi chúng ta ứng dụng hệ laser diode bu

Bộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

Người hướng dẫn khoa học:

PGS.TS ĐINH XUÂN KHOA

Vinh- 2009

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn

PGS.TS Đinh Xuân Khoa với những giúp đỡ mà thầy đã dành cho tác giả

trong suốt thời gian nghiên cứu vừa qua Thầy đã định hướng nghiên cứu,cung cấp tài liệu quan trọng và nhiều lần thảo luận, chỉ dẫn cho tác giả nhữngkhó khăn gặp phải trong quá trình nghiên cứu, hoàn thành luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo:

TS Nguyễn Huy Bằng, TS.Dương Công Hiệp, GS.TSKH Cao Long Vân,

thầy giáo, cô giáo trong khoa Vật Lý, đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ tác giảtrong suốt quá trình học tập và có nhiều ý kiến đóng góp quý báu trong quátrình thực hiện đề tài này

Với tình cảm trân trọng, tác giả xin gửi lời cảm ơn, lời chúc sức khỏe tớigia đình, những người thân yêu nhất và bạn bè đã giúp đỡ, động viên, tạo mọiđiều kiện thuận lợi để tác giả học tập và nghiên cứu

Chương 1 Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ

1.1 Mô hình nguyên tử hai mức

1.1.1 Tương tác của trường ánh sáng với vật chất

Trang

2

55

5

8

1114

2

1.4 cấu trúc

siêu tinh tế 16

1.4.1 Sự tách mức năng lượng 16

1.4.2 Dịch chuyển làm lạnh 21

1.5 Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ 22

Chưong 2 Cải tiến hệ laser dỉode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ của nguyên tử 8s Rb 26 2.1 Laser diode 26

2.1.1 Mức năng lượng của hạt tải trong điện môi và bán dẫn 26

2.1.2 Sự hấp thụ và bức xạ trong bán dẫn 30

2.1.3 Tiếp xúc p-n 32

2.1.4 Điều kiện nghịch đảo độ tích lũy trong bán dẫn, buồng cộng hưởng laser và điều kiện phát laser 33

2.1.5 Các phương pháp bơm cho laser bán dẫn 41

2.2 Nguyên lý hoạt động của 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 sự ra đời của laser vào năm 1960 do Maiman chế tạo trong phòng thí nghiệm Hughes Research Aicraữ tại Malib-Caliphomia, từ đó laser luôn phát triển và là công cụ mạnh của vật lý quang phổ để nghiên cứu và khám phá các hiện tượng mới Với tính chất kết họp, tính đơn sắc và tính định hướng cao, mật độ công suất lớn, chùm laser đã đáp ứng được các yêu cầu của những thí nghiệm đòi hỏi năng lượng và công suất lớn

Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng Laser là quan trọng và hữu íchtrong các lĩnh vực khoa học, kỳ thuật và công nghệ tiên tiến trên thế giới Cácthành tựu nổi bật của laser đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành côngnghiệp, nông nghiệp, quốc phòng, xây dựng, viễn thông, y học và đặc biệt

là trong vật lý nguyên tử và hạt nhân

Một trong những ứng dụng quan trọng của chùm ánh sáng laser là đểlàm lạnh và bẫy các nguyên tử Nó có thể tập họp một đám mây khoảng

106-ỉ-108 nguyên tử đã làm lạnh tới nhiệt độ từ pK đến vài trăm nK

Hiện nay, để có được laser đơn mode có độ đơn sắc cao (độ rộng phổnhỏ hơn 1MHz) với công suất lớn thì laser vòng Ti-Sapphire được bơm bởimột laser ion Argon hoặc được bơm bởi một laser rắn khác là một giải phápđược nhiều trung tâm nghiên cứu trên thế giới sử dụng Hệ laser này có ưuđiểm là công suất lớn, có miền điều hưởng bước sóng rộng, có thể ứng dụngđược cho nhiều kỹ thuật phổ laser hiện đại khác nhau, áp dụng được cho làmlạnh nhiều loại nguyên tử khác nhau Tuy nhiên, loại laser này hiện nay có giáthành rất cao

Một giải pháp họp lí về mặt kinh tế và cũng mang lại hiệu quả cao trongnghiên cứu và thực tiễn là sử dụng hệ các laser diode có buồng cộng hưởng

mở rộng trong thí nghiệm vật lý nguyên tử và hạt nhân, đặc biệt là làm lạnhnguyên tử trong bẫy Ưu điểm của việc sử dụng hệ laser diode đó là chúng rấtgọn nhẹ, giá rẻ và hiệu suất cao Tuy nhiên các laser diode có vùng phổ phát

xạ quá lớn, mà quá trình làm lạnh nguyên tử thì cần tập trung trong một vùngphổ hẹp và có thể thay đổi được bước sóng của laser trong quá trình làm lạnhnguyên tử Để khắc phục điều này ta có thể sử dụng hệ laser diode buồngcộng hưởng mở rộng cấu hình Littrow hoặc Littman-Metcalf Bằng buồngcộng hưởng mở rộng có thể lựa chọn được bức xạ có bước sóng xác định đểđưa trở lại hoạt chất khuếch đại Với việc sử dụng buồng cộng hưởng mởrộng, ta có thể thu hẹp độ rộng phổ phát ra chỉ còn vài trăm KHz (nhỏ hơn cáclaser diode thông thường hàng trăm lần) Bằng cách thay đổi góc tới cách tử,

ta có thể thay đổi bước sóng của laser trong vùng phổ phát xạ của nó để thíchứng cho quá trình chậm dần của nguyên tử trong làm lạnh.

Vấn đề đặt ra khi chúng ta ứng dụng hệ laser diode buồng cộng hưởng

mở rộng để làm lạnh nguyên tử trong bẫy quang từ thì hướng của chùm đầu rathay đổi, phụ thuộc vào sự quay cách tử đối với cấu hình Littrow cấu hìnhLittman-Metcalf đã khắc phục điều này bằng cách đưa thêm một gương phẳngphản xạ vào Tuy nhiên, cấu hình Littman-Metcalf có thiết kế phức tạp hơn vàcông suất đầu ra yếu hơn so với cấu hình Littrow Chính vì vậy nên việc ổnđịnh hướng đầu ra cho laser diode trong bẫy quang từ là rất quan trọng

Để khắc phục hạn chế này, chúng tôi trình bày một phương án ổn địnhhướng chùm đầu ra của laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cấu hìnhLittrow dùng cho bẫy quang từ của nguyên tử Rb85, bằng cách đưa thêm vàocấu hình Littrow một lăng kính có thiết diện là một tam giác vuông cân kếthợp với cách tử nhiễu xạ vào buồng cộng hưởng Theo cấu hình này, ướclượng sự dịch chuyển ngang của chùm ra chỉ khoảng 1.3pm khi điều hưởng12.32 nm xung quanh bước sóng trung tâm 780 nm

Trên cơ sở phân tích và những lý do nêu trên, với mục đích nghiên cứu

là làm lạnh nguyên tử 85Rb cho bẫy quang từ Trong khuôn khổ luận văn

chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiền cứu cải tiến hệ laser dỉode

buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ của nguyên tử 85 Rb”.

Cấu trúc luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo,nội dung chính của luận văn bao gồm hai chương:

Chưong 1: Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ Trong chương này

chúng tôi đã trình bày mô hình nguyên tử hai mức tương tác với trường ánhsáng, nguyên lý làm chậm chuyển động nguyên tử, các hiệu ứng ảnh hưởngđến quá trình làm lạnh nguyên tử, cấu tạo siêu tinh tế của nguyên tử 85Rb, từ

đó có thể biết được cần sử dụng dịch chuyển nào cho quá trình làm lạnh vàcuối cùng là nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ

>1 0 ' : 0 - d E

0 w 2.

Chương 2: Cải tiến hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy

quang từ của nguyên tử 85Rb Chương này chúng tôi trình bày về cấu trúc,hoạt động của laser diode từ đó làm cơ sở nghiên cứu nguyên lý hoạt độngcủa laser diode có buồng cộng hưởng mở rộng Tiếp theo là sự cải tiến buồngcộng hưởng mở rộng của hệ laser diode để có thể ổn định chùm tia laser raphục vụ cho quá trình làm lạnh và bẫy các nguyên tử

Theo lý thuyết bán cổ điển thì hệ nguyên tử là một hệ luợng tử (hệ màtrong đó các mức năng lượng của hệ đã được lượng tử hóa ), còn trường điện

từ vẫn được xem là trường cổ điển (tức là trường vẫn được mô tả bởi hàmthông thường của £,5) Trong cơ học lượng tử, chúng ta có phương trình cho

tử mật độ với các thành phần:P\\ p = .Pii P P\2 22 ; trong đó p u là xác suất tồn tại

ở mức ỉ), p tj là xác suất chuyển hạt từ mức ỉ) sang mức j Khi đó ta viết

lại phương trình (1.1) như sau:

(1-6)

p

A = — ip 2 i - P 12 ); A = ico oPi2 + — ÌP22- P 11) (1 -7)

= — {u - ỉv)

1.1.2 Cơ sở làm chậm chuyển động nguyên tử bằng laser

Như chúng ta đã biết bất kỳ một nguyên tử hay một hệ các nguyên tửluôn luôn tồn tại trong trạng thái động, tức là chúng có động năng Một môitrường khí lý tưởng gồm các nguyên tử có nhiệt độ tỷ lệ với động năng trung

bình của nguyên tử khi đó, điều này đuợc thể hiện qua quan hệ mà ta thuờngdùng để định nghĩa nhiệt độ tuyệt đối.

Mục đích của việc tạo ra một hệ các nguyên tử ở nhiệt độ thấp là đểnghiên cứu cấu trúc phổ của nguyên tử tốt hơn và khám phá ra các hiện tượngmới

Một trong những phương pháp làm lạnh hệ các nguyên tử là làm lạnhbằng laser Đây là thành tựu mang lại cho các nhà vật lý Cohen-Tanoudji củaPháp, Steven Chu và Phillips của Mỹ nhận giải Nobel vật lý năm 1997

Một nguyên tử có động lượng p, nếu giả sử ta có một động lượng khác

chuyển động theo chiều ngược lại va chạm với nó, thì động lượng tổng sau vachạm là:

trong đó p T là động lượng của nguyên tử sau va chạm, P T T là động lượng

tương tác ngược chiều Nếu p T = 0 thì nguyên tử hầu như đứng yên và nhiệt

độ rất thấp hay động lượng tương tác càng gần tới động lượng của nguyên tửthì nhiệt độ trung bình của hệ nguyên tử càng giảm

Chùm laser bao gồm tập họp các photon mang năng lượng như nhau,chuyển động cùng hướng với vận tốc như nhau và cùng pha với nhau Vậy ýtưởng làm lạnh bằng laser là kết quả xem ánh sáng là phương tiện vận chuyển

năng lượng, là tập họp các photon có cùng động lượng xác định Như vậychùm laser có động lượng tổng họp.

Để làm lạnh nguyên tử, tức là làm chậm vận tốc chuyển động củachúng trong một thể tích nhất định với một động lượng tương tác lớn tươngđương với động lượng của nguyên tử, ta có thể sử dụng một chùm tia laser

với n photon có động lượng k chiếu vào nguyên tử, ngược chiều chuyển động

của nó Khi đó tổng động lượng sẽ là:

bình do phát xạ tự phát sau nhiều chu trình “hấp thụ-phát xạ” là bằng không

và ta vẫn có sự làm chậm nguyên tử như hình 1.2

t

Hìnhl.2 Quá trình triệt tiêu xung lượng phát xạ tự phát của nguyên tử

Khi làm lạnh các nguyên tử ta còn gặp phải khó khăn cơ bản gây bởihiệu ứng Doppler: tần số cộng hưởng của các nguyên tử bị dịch chuyển (giảmdần) khi các nguyên tử chuyển động chậm dần Do đó trong quá trình làmlạnh ta phải hiệu chỉnh bước sóng phát ra của laser thay đổi phù họp với tốc

độ giảm dần của nguyên tử

Sự làm lạnh nói trên được mô tả theo một hướng (một chiều) Để làmgiảm chuyển động trong một thể tích nhất định, ta phải hãm chúng trongkhông gian ba chiều Như vậy ta phải dùng ba cặp tia laser ngược chiều nhaunhư hình 1.3

cr

(T Hình 1.3 Mô hình làm lạnh trong không gian ba chiều

e - P = * L P

1.2 Hiệu ứng Zeeman thường

Lý thuyết điện tử cổ điển của Lorentz và lý thuyết Bohr đã dẫn tới kếtluận là: Vạch quang phổ xuất hiện khi có sự dịch chuyển giữa hai trạng tháidừng trong từ trường H bên ngoài được phân làm ba thành phần [4]

Thành phần ở giữa trùng với vạch ban đầu khi không có từ trường theotần số Hai thành phần khác dịch chuyển đối xứng với vạch ở giữa mộtkhoảng trong thang tần số là:

Av =

2m ữ c h

Ba thành phần trên đều bị phân cực, thành phần ở giữa phân cực thẳng

(thành phân n) theo phương của H Thành phân ở hai bên (thành phân ơ)

phân cực tròn theo hai chiều ngược nhau trong mặt phẳng trực giao với

H -►

Hình 1.4.

a) Giải thích theo lý thuyết BohrTheo Bohr điện tử nằm trong trạng thái đặc trưng bằng số lượng tử 1,

khi chuyển động theo quỹ đạo sẽ tạo nên một mômen từ quỹ đạo ụ, liên hệ

ụ l = r = " r với ụ ữ = gT1 là magneton Bohr

PiH là hình chiếu của mômen chuyển động của quỹ đạo (mô men cơ) P j trên

phuơng của từ truờng Do sự luợng tử hoá không gian PiH = mr| nên:

theo nguyên tắc lọc lựa, Am chỉ nhận ba giá trị:

Am = 0 dẫn đến xuất hiện thành phần n trùng với vạch ban đầu.

b) Giải thích theo cơ học lượng tử

Sự giải thích theo cơ học lượng tử về hiệu ứng Zeeman thường dựa trên

cơ sở khi xét nguyên tử với spin của nó bằng 0 Hạt có spin bằng 0 chính làhạt Klein-Gordon như nguyên tử H trong từ trường khi không để ý đến spinđiện tử Phương trình sóng đối với hạt không có spin nằm trong từ trường là

phương trình có dạng:

ự = 0.

(1.25)

A,i<p thế bốn chiều, có A là thế véc tơ, <p là thế vô hướng.

gian thông thường, x4 = ic

-> f-> \

Aft = A,ỉẹ>

V

Trong trạng thái dừng với năng lượng E, hàm trạng thái y/ được biểu

diễn với công thức sau:

Í£+m0c2)í_

—ỳ

Hàm không gian U(r ) thoả mãn phương trình:

V0 v0

(1.26)

Trong (1.26) các số hạng trong ngoặc vuông đầu ở vế trái là Hamiltoncủa hệ khi không có từ trường Các số hạng sau là các số bổ chính tương đối

của Hamilton Phần (E-V) 2 tương ứng với sự phụ thuộc của khối lượng vào

vận tốc, phần bình phương theo A dẫn đến hiệu ứng nghịch từ Cả hai số

hạng này đều nhỏ so với số hạng —— 2.P và trong gần đúng bậc nhất có thể

Sử dụng thế V = -eẹ và coi từ trường là đồng nhất: ^(r) = -Hx r ,

giá trị nhiễu loạn A.P = -(Hx7).P = -H.(rxp) = -H.P, =HP i h ,

ở đây P]H hình chiếu của mômen chuyển động của quỹ đạo theo phương từ

ở đây p = ^ , p là khối lượng nguyên tử của hạt bức xạ; R là hằng số khí; T

là nhiệt độ tuyệt đối

Từ (1.30) suy ra v x = —(v-v0) và dv x = — d v, do đó

Theo định nghĩa tổng quát về độ rộng của một vạch, ta có thể tìm được

độ rộng Doppler của vạch Thực vậy xét giá trị / = -/„ theo (1.33)

đối với mọi X

1.4 Cấu trúc siêu tỉnh tế của nguyên tử 8s Rb

1.4.1 Sự tách mức năng lượng

Các số lượng tử L, s, J được xác định theo các định luật lượng tử thông

thường đối với các mômen và mômen tổng cộng Trong đơn vị r| ta có:

ỉ = L { L + \\ S 2 = 5(5 + 1 )

L z =m L với m L = L,L-\, ,-L;L = Ỵ 4 L iz

S z =m s với m s = S , S - ỉ, , - S ; S = ỵ^S iz

J = L 4- s 9 L 4- s — 1, \ L — s ị

J z = nij với rrij = J , J

và số lượng tử J nhận các giá trị tương ứng trong khoảng:

tức J sẽ nhận 2L+Ỉ giá trị nếu L < s hoặc 2S+Ỉ giá trị nếu S<L Trong liên kết (L, S) đối với dịch chuyển lưỡng cực các vạch xuất hiện tuân theo nguyên lý chọn lọc sau: AS = 0; AL = 0, ±1.

Ở đây chúng ta sử dụng quy ước đó để tính độ lớn của J là JjỤ+l)n

và giá trị riêng của J z là mjXI.

Ở trạng thái cơ bản của 85Rb là: n=5, L=0 và S=ỉ/2, do đó J= 1/2, được

ký hiệu là 5 2 S l / 2

Ở trạng thái kích thích thứ nhất L=l, vì vậy J= 1/2 hoặc J=3/2, được ký

hiệu là52 P 1/2 hoặc 52 P3/2 Năng lượng của bất kỳ mức riêng nào được thay đổi

theo giá trị của J Vì vậy dịch chuyển L=0 -> L= 1 (vạch D) được tách thành 2

thành phần và dịch chuyển này đồng thời có cấu tạo siêu tinh tế Vạch Di (5

2SI /2 —» 5 2p 1/2) và vạch D2 (5 2SI /2 —> 5 2P3/2) Ý nghĩa tên của các mứcnăng

lượng là như sau: chữ số đầu tiên là số lượng tử chính của electron lớp ngoài,

ký tụ viết phía trên là X = 2S+Ỉ gọi là độ bội; thứ tự chữ L quy ước (ví dụ:

nhân và mômen từ của nguyên tử sẽ xuất hiện một năng lượng phụ Nếu gọi

ụ Ị và ỊẦJ là mômen từ hạt nhân và mômen từ của nguyên tử thì:

Áp dụng định luật lượng tử hóa đối với bình phương các mômen cơ

Pp , Pj , pj , ta sẽ thu được giá trị năng lượng phụ, giải thích câu tạo siêu tinh

toàn phân F của nguyên tử được cho bởi:

có nghĩa là F có thể nhận 27+1 giá trị khi J < I hoặc 2/+1 giá trị khi I < J thì

với sự có mặt của mômen từ hạt nhân mỗi mức của một số hạng sẽ được phânlàm (27+1) hoặc (27+1) mức con và dẫn đến cấu trúc siêu tinh tế của mức

Từ cấu trúc siêu tinh tế của mức dẫn đến cấu trúc siêu tinh tế của vạch

Khi có sự dịch chuyển giữa các mức cần thỏa mãn nguyên lý chọn lọc đối với

số lượng tử F sau: AF = 0, ±1.

Ở trạng thái cơ bản của 85Rb, 7=1/2 và 7 =5/2, vì vậy F=2 hoặc F= 3 Ở

trạng thái kích thích tương ứng vạch D2 (5 2P3/2), F có thể nhận bất kỳ giá trị

nào 1, 2, 3 hoặc 4 và ở trạng thái kích thích vạch Di (5 2PI/2), F nhận một

trong hai giá tĩị 2 hoặc 3 Mặt khác, các mức năng lượng nguyên tử cũng thay

đổi theo các giá trị của F.

Hai thành phần vạch D được xem như riêng biệt Hamiltonian mô tả

4hfs 7 7+ Bụ s

-7(7+1)7(7 + !)

- +

10 + C, [7(7 +1) + 7(7 +1) + 3] - 37(7 +1)7(7 +1) - 57(7 +1)7(7 +1)

7(7 - 1X27 -1)7(7 - 1X27 -1)Dạng này dẫn tới dịch chuyển năng lượng siêu tinh tế:

của các giá trị từ các phép đo gần đây củã [8] và [9] cấu trúc siêu tinh tế của

85Rb, với sự tách các giá trị năng lượng được thấy như hình 1.6 và 1.7

F=3

\

3.035 732 439 0(60) GHz 1.770 843 922 8(35) GHz

- F=2

§ F =-1/3 (-0.47 MHz/G)

Hình 1.6 cẩu trúc siêu tinh tế dịch chuyấĩ Ũ 2 nguyên tử 85 Rb, với tần

số tách mức giữa các mức năng lượng siêu tinh tế Những giá trị trạng thải kích thích lấy từ [9, 11] và giá trị trạng thái cơ bản từ [11].

(0.16 MHz/G)

361.58(17) MHz

1.264 888 516 3(25) GHz

- F =2 gF=-l/9 (-0.16 MHz/G)

-7~ F=3 gF=l/3

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].

lạnh nguyên tử [6] Đó là dịch chuyển F=3—»F =4, hình thành một hệ thốnghai mức kín, bởi vì do quy tắc lọc lựa ÁF = 0,±lchỉ cho phép dịch chuyển từ

trạng thái F =4 trở lại trạng thái cơ bản F=3

Trong thực tế, hệ thống này không phải là kín hoàn toàn, cộng huởngtắt dần cũng có thể xảy ra với trạng thái F =3 và gây ra tích thoát tự nhiên tớitrạng thái cơ bản F=2 (bơm quang học) Bởi vì sự tách mức siêu tinh tế trongtrạng thái cơ bản của nguyên tử rubi là lớn hơn nhiều trạng thái kích thích nênnguyên tử trong trạng thái F=2 không thể hấp thụ ánh sáng tức không thamgia vào quá trình làm lạnh và như vậy sự bơm nhanh làm suy giảm số nguyên

tử có thể đã bị làm lạnh trong dịch chuyển F=3—»F =4 Đe tránh tình trạngnày, ta sử dụng một laser thứ hai để điều hưởng dịch chuyển F=2—»F =3 hoặcF=2—»F =2 và tạo ra một tái bơm quang học (repumping)

Hình 1.8 Cấu trúc siêu tỉnh tế vạch D 2 của nguyên tử 85 Rb

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 tửbằng các chùm ánh sáng laser Như đã phân tích ở trên, bình thường cácnguyên tử ở thể khí chuyển động (tức là có vận tốc hay động lượng) hỗn loạn

theo mọi hướng, sự chuyển động nhanh hay chậm dẫn đến hệ quả là nhiệt độcủa hệ cao hay thấp.

Khi nguyên tử đặt trong trường ánh sáng laser đơn sắc có năng lượngphoton đúng bằng khoảng cách năng lượng giữa hai mức năng lượng củanguyên tử thì nguyên tử sẽ hấp thụ photon của chùm laser Sau khi hấp thụ thìnguyên tử sẽ lập tức phát xạ tự phát một photon để trở về trạng thái ban đầu,sau đó tiếp tục thực hiện chu trình hấp thụ - bức xạ tiếp theo Theo định luậtbảo toàn động lượng thì khi hấp thụ nguyên tử sẽ tích lũy thêm được mộtđộng lượng đúng bằng động lượng của photon bị hấp thụ, còn khi phát xạ tựphát thì nguyên tử bị giảm đi một động lượng đúng bằng động lượng củaphoton phát xạ Tuy nhiên vì quá trình phát xạ tự phát là đẳng hướng nên saunhiều chu trình “hấp thụ-phát xạ” thì sự thay đổi năng lượng của nguyên tử dophát xạ tự phát là bằng không, độ thay đổi động lượng của nguyên tử bằngtổng động lượng của tất cả các photon của chùm tia laser bị hấp thụ

Vì vậy, nếu khi tương tác mà nguyên tử chuyển động cùng chiều vớichùm sáng thì nguyên tử sẽ được tăng tốc, còn nếu nguyên tử chuyển độngngược chiều với chùm sáng lan truyền thì chuyển động của nguyên tử sẽ bịlàm chậm lại Trong thực tế vì nguyên tử chuyển động hỗn loạn không ngừngnên hiệu ứng Doppler sẽ đóng vai trò quan trọng ở quá trình hấp thụ: cácnguyên tử chuyển động ngược chiều với chiều lan truyền của chùm sáng thìchỉ hấp thụ photon khi năng lượng của photon thấp hơn một chút so vớikhoảng cách giữa hai mức năng lượng của nguyên tử, còn các nguyên tửchuyển động cùng chiều với chiều lan tmyền của chùm sáng thì sẽ không hấpthụ photon này Điều này có nghĩa nếu có hai chùm laser đơn sắc có tần sốthấp hơn tần số dịch chuyển của nguyên tử một chút và được lan truyềnngược chiều nhau qua môi trường chứa các nguyên tử thì chuyển động củacác nguyên tử theo phương này bị chậm lại Đây chính là nguyên lí làm chậmnguyên tử bằng ánh sáng laser trong không gian một chiều

Trên cơ sở đó ta dễ dàng khái quát lên rằng: để làm chậm chuyển độngcủa khối các nguyên tử phân bố trong không gỉan ba chiều thì cần phảỉ có sáuchùm ỉaser đơn sắc tạo thành ba cặp vuông góc với nhau từng đôi một trongkhông gian (x,y,z) và có tần số ỉaser bé hơn tần số cộng hưởng G)o* Đây lànguyên tắc cơ bản để làm chậm chuyển động nhiệt (tức làm lạnh) hệ cácnguyên tử.

ơ+

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ

Để giữ các nguyên tử đã được làm lạnh ừong một không gian xác địnhthì hiện nay vấn đề này được giải quyết bằng cách đưa vào một từ trườngphân bố dạng gradient đối xứng theo không gian ba chiều có tâm đối xứng (tại

đó từ trường bằng không ) trùng với giao điểm của ba cặp chùm tỉa laser đãnói ở trên Vì sự cổ mặt của từ trường này nên khi các nguyên tử lệch khỏitâm này sẽ bị dịch chuyển mức năng lượng của nó (hiệu ứng zeemann) nên sẽhấp thụ photon của chùm laser truyền tới, nghĩa là nguyên tử bị đẩy lùi trở lạitâm đối xứng của từ trường Theo cách này thì các nguyên tử sau khỉ được