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

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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

-*** -HOÀNG MINH ĐỒNG

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN HỆ LASER DIODE BUỒNG CỘNG HƯỞNG MỞ RỘNG CHO BẪY

Chuyên ng nh: Quang h c ành: Quang học ọc

Mã s : 60441101 ố: 60441101

LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÝ

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 những khó 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 giả trong suốt quá trình học tập và có nhiều ý kiến đóng góp quý báu trong quá trình thực hiện đề tài này

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

Vinh, tháng 11 năm 2009

Tác giả

Hoàng Minh Đồng

M C L CỤC LỤC ỤC LỤC

Trang

Lời mở đầu ………. 2

Chương 1 Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ 5 1.1 Mô hình nguyên tử hai mức ……… 5

1.1.1 Tương tác của trường ánh sáng với vật chất ……… 5

1.1.2 Cơ sở làm chậm chuyển động nguyên tử bằng laser ……… 8

1.2 Hiệu ứng Zeeman thường … 11

1.3 Độ mở rộng Doppler ……… 14

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

Chương 2 Cải tiến hệ laser diode buồng cộng hưởng mở rộng cho bẫy quang từ của nguyên tử 85 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

2.2 Nguyên lý hoạt động của laser diode buồng cộng hưởng mở

Ngày nay việc nghiên cứu và ứng dụng Laser là quan trọng và hữu íchtrong các lĩnh vực khoa học, kỹ 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 hợp một đám mây khoảng

106108 nguyên tử đã làm lạnh tới nhiệt độ từ K 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 ưu

điểm 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 hợp 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 gươngphẳng phản xạ vào Tuy nhiên, cấu hình Littman-Metcalf có thiết kế phức tạphơn và công suất đầu ra yếu hơn so với cấu hình Littrow Chính vì vậy nênviệc ổn định hướng đầu ra cho laser diode trong bẫy quang từ là rất quantrọng

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 hình

Littrow 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 1.3m 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: “Nghiên cứu cải tiến hệ laser diode

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:

Chương 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

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

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

Theo lý thuyết bán cổ điển thì hệ nguyên tử là một hệ lượng 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 hàm

0 0

*

(1.5)Trạng thái của hệ lượng tử hai mức năng lượng được mô tả bằng toán

12 11









ở mức i , ij là xác suất chuyển hạt từ mức i sang mức j Khi đó ta viếtlại phương trình (1.1) như sau:

11 22 12

12 21

e i

L t

0 0

21 0 21

21

*





0 12

12 0 21

21 21

2 2

w

i i

w

i i

21 12

w i

v v

w i

v u

2 2

2 2

w v v

v u

nhiệt của hệ lượng tử Nếu tính đến ảnh hưởng đó, trong phương trình trênphải bổ sung thêm các thành phần liên quan đến dao động nhiệt, cụ thể là cácthành phần làm suy giảm chúng Khi đó từ (1.16), ta có:

1 2 2

T

w w v w

w T

v v v

T

u v u

2

2

0 0

1 0 0

0 1 0

0 0 1

0 0

0

0 0

T w w v u T T T w

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 trungbình của nguyên tử khi đó, điều này được thể hiện qua quan hệ mà ta thườngdùng để định nghĩa nhiệt độ tuyệt đối

T k

ở nhiệt độ càng thấp thì động năng càng nhỏ và tốc độ nguyên tử càng nhỏ

Điều này cho thấy, muốn làm cho nhiệt độ trung bình hệ các nguyên tử hạ

thấp xuống ta có thể làm bằng cách nào đó giảm tốc độ dao động hay chuyểnđộng của chúng “Làm lạnh nguyên tử” có nghĩa là làm giảm tốc độ củachúng

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

khác chuyển động theo chiều ngược lại va chạm với nó, thì động lượng tổngsau va chạm là:

p = 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 hợp 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 chuyểnnăng lượng, là tập hợp các photon có cùng động lượng xác định Như vậychùm laser có động lượng tổng hợp

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 laservới n photon có động lượng 

k chiếu vào nguyên tử, ngược chiều chuyểnđộng của nó Khi đó tổng động lượng sẽ là:

photon

.

Hình 1.1 Quá trình làm chậm nguyên tử

Cơ chế làm lạnh là do các nguyên tử hấp thụ các photon và dẫn đến làmchậm lại vận tốc của nguyên tử Như vậy những photon không bị hấp thụ sẽkhông tham gia vào quá trình làm lạnh Do mỗi nguyên tử có thể hấp thụ hayphát ra những bức xạ có tần số nhất định nên chùm sáng laser phải có tần sốsao cho có thể cộng hưởng với nguyên tử Rõ ràng không phải một chùm laserbất kỳ nào cũng có thể sử dụng để làm lạnh được Trong các thí nghiệm làmlạnh người ta chọn các nguyên tử hoạt tính có mức năng lượng phù hợp vớibước sóng laser Ở đây vấn đề đặt ra là liệu khi hấp thụ photon, nguyên tửnhận được xung lượng của photon vậy thì khi phát xạ photon nguyên tử phảitrả lại xung lượng này cho photon, điều này dẫn đến xung lượng tổng cộngtrong nhiều chu trình “hấp thụ-phát xạ” bằng không, tức là vận tốc không đổi.Tuy nhiên do quá trình phát xạ tự phát là đẳng hướng, nên xung lượng trungbình 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

Hình1.2 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 làm

lạnh ta phải hiệu chỉnh bước sóng phát ra của laser thay đổi phù hợp 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

Hình 1.3 Mô hình làm lạnh trong không gian ba chiều

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:

h

H c m

e H m

e c

0

0 2 4

phân cực tròn theo hai chiều ngược nhau trong mặt phẳng trực giao vớiphương của 

H Hình 1.4

Hình 1.4.

a) Giải thích theo lý thuyết Bohr

Theo Bohr điện tử nằm trong trạng thái đặc trưng bằng số lượng tử l,khi chuyển động theo quỹ đạo sẽ tạo nên một mômen từ quỹ đạo l liên hệ

với mômen chuyển động của quỹ đạo Pl bởi hệ thức:

e

l



0 0

2



0 0

e m h

H m h

W W

0 0

2 1

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

m = 0 dẫn đến xuất hiện thành phần  trùng với vạch ban đầu

m = 1 xuất hiện hai thành phần  ở cách vị trí vạch ban đầu một khoảng

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

4 1

2 0

A là thế véc tơ,  là thế vô hướng

Trong trạng thái dừng với năng lượng E, hàm trạng thái  được biểudiễn với công thức sau:

) ( )

, (r t e Em c t U r

i 2 0



Hàm không gian ()

2 2 2 2

0 0

e V E



(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 vàovận tốc, phần bình phương theo 

A dẫn đến hiệu ứng nghịch từ Cả hai số

hạng này đều nhỏ so với số hạng  A P

c m

( ,

R r

(.

).

(

2

1 2

1 2

So sánh (1.28) với phương trình Schrodinger của nguyên tử H ở trong

trường ngoài, ta thấy xuất hiện số hạng:

về dạng đối với H thông thường ở ngoài trường khi đặt toán tử

Nguyên nhân mở rộng của vạch là do chính nguyên tử khi bức xạchuyển động [4] Để tìm độ mở rộng Doppler của vạch ta thiết lập biểu thức

về cường độ I v

Giả sử nguồn có các nguyên tử bức xạ chuyển động với vận tốc .Dụng cụ thu bức xạ và nguồn nằm theo phương trục Ox thì theo hiệu ứngDoppler

  ,  là khối lượng nguyên tử của hạt bức xạ; R là hằng số khí; T

là nhiệt độ tuyệt đối

0

v v v

e v d v

c



Cường độ của vạch tỉ lệ với số hạt bức xạ có thành phần vận tốc x mà

số hạt này lại tỉ lệ với xác suất dP nên có thể xem cường độ vạch I v dv thuộc

về khoảng tần số x x+dx là đại lượng tỉ lệ với dP Từ (1.32) có thể lấy

dv

I v dạng:

dv e

I dv

v v c

0 2

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

2

1 I

I v  theo (1.33)

2 0 2

2 0 0

d

e I

I

Lấy logaritnêpe hai vế có:

2 0

d

2 ln 2 2 2 ln

1.4 Cấu trúc siêu tinh tế của nguyên tử 85 Rb

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  ta có:

L S L

J

J  với m J J,J  1 , ,  J

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

| L-S | < J < L+S, (1.37)

tức 

J sẽ nhận 2L+1 giá trị nếu L<S hoặc 2S+1 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: S = 0; L = 0, ±1.

Ở đây chúng ta sử dụng quy ước đó để tính độ lớn của 

và giá trị riêng của Jz là m J

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

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

D1 (5 2S1/2  5 2P1/2) và vạch D2 (5 2S1/2  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 tự viết phía trên là  = 2S+1 gọi là độ bội; thứ tự chữ L quy ước (ví dụ: SL=0; PL=1; DL=2…) và chỉ số dưới cho giá trị của J.

Nguyên nhân của cấu tạo siêu tinh tế của các mức và các vạch là do sự

có mặt của mômen từ của hạt nhân nguyên tử Do tương tác của mômen từhạt nhân và mômen từ của nguyên tử sẽ xuất hiện một năng lượng phụ Nếugọi I

J I F J

I

P P

P P P P

Khi đó giá trị W trong (1.38) trở thành:

J I F J I

P P

P P P W

2

2 2 2

F cũng có thể nhận các giá trị

|J-I| < F < J+I, (1.43)

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

với sự có mặt của mômen từ hạt nhân mỗi mức của một số hạng sẽ được phân

làm (2J+1) hoặc (2I+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: F = 0, ±1.

Ở trạng thái cơ bản của 85Rb, J=1/2 và I =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 D1 (5 2P1/2), F nhận một

trong hai giá trị 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 tảcấu trúc siêu tinh tế của mỗi thành phần vạch D là [10,11,12]:

5 1 1

3 3 1 1

2 20

10

1 2 1 2 2

1 1

2

3 3

2 3

J J I I J

J I I J

J I

I J I J

I J

I

C

J J I I

J J I I J I J

I B J

hfs

(1.44)Dạng này dẫn tới dịch chuyển năng lượng siêu tinh tế:

5 1 1

3 3 1 1

1 4 / 5

1 2 1 2 4

1 1

2 1 2

3 2

J J I I J

J I I J

J I

I K K

K C

J J I I

J J I I K

K B K

A

E

hfs

hfs hfs

hfs

(1.45)

Ở đây: K FF 1 II 1 JJ 1, (1.46)

Ahfs là hệ số lưỡng cực từ, B hfs là hệ số tứ cực điện và C hfs là hệ số bát

cực từ Hệ số A hfs của trạng thái cơ bản được tính từ [11], các hệ số của 5 2P3/2

là trung bình của các giá trị từ [11] và [8] Hệ số Ahfs của 5 2P1/2 là trung bìnhcủa các giá trị từ các phép đo gần đây của [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

Hình 1.6 Cấu trúc siêu tinh tế dịch chuyển D2 nguyên tử 85 Rb, với tần

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

Hình 1.7 Cấu trúc siêu tinh tế dịch chuyển D1 nguyên tử 85 Rb, với tần

số tách mức giữa các mức năng lượng siêu tinh tế Những giá trị trạng thái kích thích lấy từ [8, 9] và giá trị trạng thái cơ bản từ [11].

1.4.2 Dịch chuyển làm lạnh

Để bẫy các nguyên tử 85Rb chúng ta sử dụng dịch chuyển cộng hưởng

52S1/2  52P3/2 (tương ứng vạch D2 , =780 nm) cho làm lạnh các nguyên tử.Trong các thành phần cấu trúc siêu tinh tế của nguyên tử 85Rb (như thấy ởhình 1.8), vạch D2 là vạch duy nhất có thể được sử dụng cho hiệu ứng làm

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 F  0  , 1chỉ cho phép dịch chuyển từtrạng thái F’=4 trở lại trạng thái cơ bản F=3.

Trong thực tế, hệ thống này không phải là kín hoàn toàn, cộng hưởngtắt 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 Để 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 tinh tế vạch D2 của nguyên tử 85 Rb

1.5 Nguyên lý hoạt động của bẫy quang từ

Bẫy 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 truyền 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 gian ba chiều thì cần phải có sáuchùm laser đơn sắc tạo thành ba cặp vuông góc với nhau từng đôi một trongkhông gian (x,y,z) và có tần số laser bé hơn tần số cộng hưởng 0 Đây lànguyên tắc cơ bản để làm chậm chuyển động nhiệt (tức làm lạnh) hệ cácnguyên tử.

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

Để giữ các nguyên tử đã được làm lạnh trong 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 tia laser

đã nói ở trên Vì sự có 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 khi được