Neste trabalho, abordamos o desenvolvimento de um sistema experimental para resfriamento laser e aprisionamento magneto-optico de atomos de calcio, o desenvolvimento de fontes laser empregadas nesse sistema, bem como estudos espectroscopicos de transicoes desse elemento em descargas eletricas de catodo oco. No caso do calcio, a transicao optica mais eficiente para a manipulacao do movimento dos atomos por pressao de radiacao e a 1 S0-1 P1 em 423 nm. Uma das fontes de radiacao laser que desenvolvemos para esse comprimento de onda consiste de um laser de Ti:Safira estabilizado e duplicado em frequencia. A frequencia desse laser e travada a ressonância de uma cavidade de Fabry-Perot de referencia.
O segundo harmonico do laser e gerado por conversao nao-linear em um cristal de niobato de potassio situado em uma cavidade externa de amplificacao. Investigamos o uso de lâmpadas de catodo oco de calcio como ferramentas espectroscopicas de alta resolucao. A variacao na impedância da descarga eletrica que ocorre com a excitacao laser, o efeito optogalvânico, e uma tecnica de alta sensibilidade que simplifica consideravelmente a deteccao e a sintonia em transicoes atomicas muito fracas como a 1 S0-3 P1 em 657 nm. O sistema de resfriamento e aprisionamento de atomos de calcio e o ultimo topico abordado neste trabalho. Nesse sistema, atomos provenientes de um feixe atomico termico sao resfriados pela tecnica de desaceleracao Zeeman e entao capturados em uma armadilha magneto-optica. Empregamos um esquema alternativo de desaceleracao Zeeman que usa um feixe laser com a mesma frequencia dos feixes da armadilha. Estudamos a variacao do numero estacionario de atomos aprisionados com varios parâmetros, como o gradiente de campo magnetico, a dessintonia e a intensidade dos feixes laser de aprisionamento e desaceleracao. Analisamos tambem a evolucao temporal do numero de atomos aprisionados. Esse estudo mostrou que o tempo de armazenamento na armadilha e limitado por perdas devido ao bombeamento optico de niveis metaestaveis do calcio. Essas perdas por bombeamento optico sao muito maiores do que as perdas decorrentes de colisoes binarias entre os atomos frios. Nesse regime, o comportamento nao-exponencial do numero de atomos torna-se muito dificil de ser observado. Todavia, constatamos que e possivel extrair informacoes relativas a taxa de perdas por colisoes frias comparando as constantes de tempo exponenciais das curvas de carga e descarga
Abstract
Neste trabalho, abordamos o desenvolvimento de um sistema experimental para resfriamento laser e aprisionamento magneto-optico de atomos de calcio, o desenvolvimento de fontes laser empregadas nesse sistema, bem como estudos espectroscopicos de transicoes desse elemento em descargas eletricas de catodo oco. No caso do calcio, a transicao optica mais eficiente para a manipulacao do movimento dos atomos por pressao de radiacao e a 1 S0-1 P1 em 423 nm. Uma das fontes de radiacao laser que desenvolvemos para esse comprimento de onda consiste de um laser de Ti:Safira estabilizado e duplicado em frequencia. A frequencia desse laser e travada a ressonância de uma cavidade de Fabry-Perot de referencia.
O segundo harmonico do laser e gerado por conversao nao-linear em um cristal de niobato de potassio situado em uma cavidade externa de amplificacao. Investigamos o uso de lâmpadas de catodo oco de calcio como ferramentas espectroscopicas de alta resolucao. A variacao na impedância da descarga eletrica que ocorre com a excitacao laser, o efeito optogalvânico, e uma tecnica de alta sensibilidade que simplifica consideravelmente a deteccao e a sintonia em transicoes atomicas muito fracas como a 1 S0-3 P1 em 657 nm. O sistema de resfriamento e aprisionamento de atomos de calcio e o ultimo topico abordado neste trabalho. Nesse sistema, atomos provenientes de um feixe atomico termico sao resfriados pela tecnica de desaceleracao Zeeman e entao capturados em uma armadilha magneto-optica. Empregamos um esquema alternativo de desaceleracao Zeeman que usa um feixe laser com a mesma frequencia dos feixes da armadilha. Estudamos a variacao do numero estacionario de atomos aprisionados com varios parâmetros, como o gradiente de campo magnetico, a dessintonia e a intensidade dos feixes laser de aprisionamento e desaceleracao. Analisamos tambem a evolucao temporal do numero de atomos aprisionados. Esse estudo mostrou que o tempo de armazenamento na armadilha e limitado por perdas devido ao bombeamento optico de niveis metaestaveis do calcio. Essas perdas por bombeamento optico sao muito maiores do que as perdas decorrentes de colisoes binarias entre os atomos frios. Nesse regime, o comportamento nao-exponencial do numero de atomos torna-se muito dificil de ser observado. Todavia, constatamos que e possivel extrair informacoes relativas a taxa de perdas por colisoes frias comparando as constantes de tempo exponenciais das curvas de carga e descarga
Abstract
Esta tese apresenta o desenvolvimento de fontes de radiacao coerente na regiao do azul baseadas em lasers semicondutores para excitar a transicao de resfriamento e aprisionamento 1 S0-1P1 do Calcio, em 423nm. Foi construido um laser de diodo em cavidade estendida emitindo em g =846 nm que foi empregado em uma configuracao de Cavidade Estendida de Littman, estabilizada em frequencia pela tecnica de Side-of-Fringe. Parte da potencia deste laser foi amplificada por um amplificador optico semicondutor. Potencias superiores a 700mW em g =846nm foram obtidas. Parte desta potencia do amplificador optico (450mw) foi duplicada em frequencia para g =423nm em um cristal de niobato de potassio(KNbO3), utilizado dentro de uma cavidade optica ressonante com a frequencia do laser. A estabilizacao da cavidade optica duplicadora de frequencia foi feita pela tecnica de Hansch-Coulliaud . O sistema desenvolvido alcancou potencias de 60mW de radiacao coerente azul. Esta fonte laser portatil devera ser utilizada para espectroscopia, resfriamento e aprisionamento de Calcio
Abstract
O segundo é uma unidade fundamental do Sistema Internacional de Unidades (SI), atualmente definida a partir da frequência da transição hiperfina do estado fundamental do átomo de césio-133. A elevada precisão associada a essa definição constitui a base dos padrões modernos de tempo e frequência, sendo essencial para diversas tecnologias que exigem sincronização rigorosa, como sistemas de navegação por satélite, telecomunicações e metrologia de precisão. Apesar do desempenho metrológico alcançado por relógios atômicos primários, como os do tipo chafariz, esses sistemas apresentam elevada complexidade experimental, grandes dimensões físicas e baixa portabilidade, o que motiva a busca por arquiteturas mais compactas e robustas. Nesse contexto, este trabalho teve como objetivo o desenvolvimento e a caracterização de um sistema de resfriamento e aprisionamento de átomos frios de césio, com foco em aplicações em relógios atômicos compactos. O sistema desenvolvido emprega técnicas de desaceleração e resfriamento utilizando uma configuração de feixe único refletido em uma cavidade cônica de espelhos para a geração dos feixes contrapropagantes necessários à arquitetura de armadilha magneto-óptica (MOT). Essa abordagem permite a redução significativa do número de componentes ópticos, simplificando o alinhamento experimental e favorecendo a compactação do sistema. Foram implementados e caracterizados os subsistemas ópticos, eletrônicos e de vácuo necessários à operação contínua da armadilha. Como resultado, foi obtida experimentalmente uma nuvem de átomos frios de césio aprisionados, evidenciando o correto funcionamento do sistema proposto e sua viabilidade como fonte de átomos frios. Os resultados demonstram que a arquitetura desenvolvida constitui uma plataforma promissora para a integração de estágios subsequentes, como o resfriamento Doppler e a interrogação por micro-ondas, visando à implementação futura de um relógio atômico compacto e transportável. Este trabalho contribui, assim, para o avanço de tecnologias quânticas aplicadas à metrologia de tempo e frequência.
Sistemas atômicos coerentemente preparados podem dar origem a fenômenos interessantes e inesperados como, por exemplo, a transparência eletromagneticamente induzida (EIT). Em tal fenômeno, um meio absorvente pode se tornar transparente mediante uma interação coerente com campos de radiação laser. Este efeito pode ser interpretado como a criação de uma superposição coerente dos níveis atômicos fundamentais que não é acoplada ao estado excitado pelos campos incidentes. Em publicação recente, foi investigado o fenômeno de EIT na presença de um campo magnético dc externo e foi demonstrado que este sistema além de cancelar a absorção do feixe de prova pode também amplificar o feixe de prova incidente levando a um novo mecanismo de ganho. No presente trabalho estendemos a investigação deste mecanismo de ganho explorando o efeito de uma cavidade óptica no aumento do ganho e finalmente alcançando a oscilação laser em tal sistema. O experimento é realizado com átomos frios de césio obtidos a partir de uma armadilha magneto-óptica (MOT). Usamos os subníveis Zeeman da transição cíclica do césio 6S1/2, F = 3 → 6P3/2 , F ′ = 2, que é excitada por dois feixes coerentes, o feixe de controle e o feixe de prova com polarizações circulares e opostas, na presença de um campo magnético dc externo. Este sistema pode produzir ganho óptico de passagem única da ordem de 80-100% para valores moderados do campo magnético e da potência do feixe de controle. Em um primeiro conjunto de medições, foi investigado o aumento do ganho produzido por uma cavidade óptica em anel com diferentes perdas e finesses. Para uma cavidade de baixa finesse com um espelho de refletividade R = 70% medimos a amplificação do feixe de prova para diferentes parâmetros experimentais, e um aumento da ordem de 14 vezes no ganho óptico foi observado. Além disso, atingimos a oscilação laser quando uma cavidade óptica de alta finesse com espelho de refletividade R = 99,9% foi usada. Neste caso, mesmo quando o feixe de prova incidente é bloqueado, a auto-oscilação do sistema é observada quando a cavidade é varrida para sua frequência de ressonância. Estas observações constituem uma demonstração de um novo sistema de laser operando em átomos frios e na dissertação, iremos discutir suas possíveis aplicações.
Neste trabalho é apresentada a construção da montagem de um sistema experimental para resfriar átomos de estrôncio.A construção do sistema está focada no estudo do espalhamento coletivo em nuvens atômicas frias e ultrafrias por meio da teoria de Mie.O estrôncio é um elemento que conta com dois estágios de resfriamento, o primeiro utilizando a transição forte entre estados singletos 1 S 0 -1 P 1 de Γ = 23)ߨ2( ,ݖܪܯ e o segundo com uma transição fraca entre estados singleto e tripleto 1 S 0 -3 P 1 de Γ = )ߨ2( 7.5 .ݖܪܯ O objetivo deste trabalho é a construção do sistema para resfriar átomos de estrôncio utilizando a primeira transição.A construção do sistema se apresenta em várias partes, primeiro a construção do um forno como fonte de vapor de estrôncio, onde o estrôncio metálico é aquecido até uma temperatura ܶ = 600 ℃.O forno conta com um sistema de microtubos encarregados de colimar o feixe atômico, estes microtubos tem um diâmetro interno ܦ ≈ 180μ݉ e um comprimento de 8 mm.Depois da implementação do forno e do sistema de microtubos foi medido o perfil de velocidades transversais e a divergência do feixe atômico que sai do forno.A largura tem um valor ݓ = 801)ߨ2( ݖܪܯ e a divergência do feixe de ߙ ≈ 4,12.A segunda parte do sistema conta com a construção do desacelerador Zeeman, responsável por desacelerar os átomos do feixe atômico utilizando um feixe laser contrapropagante de ߣ = 461 ݊݉ , circularmente polarizado e com uma dessintonização utilizada, após a caracterização do sistema, de Δ = 085)ߨ2-( .ݖܪܯ Os átomos sentiram os efeitos da força de pressão radiativa dentro de um tubo de comprimento de 0,28m.Para compensar o efeito Doppler causado pelo movimento dos átomos foi utilizado um arranjo de bobinas em configuração "spin flip" para gerar o campo.A terceira e principal parte do sistema foi a construção da armadilha magnetoóptica (AMO).Onde os átomos que saem do desacelerador Zeeman são confinados e resfriados pela combinação de seis feixes contrapropagantes, dos quais três são retrorefletidos utilizando a transição Γ = 23)ߨ2( ݖܪܯ .A dessintonia dos feixe após da caracterização do sistema foi de Δ = 93)ߨ2-( .ݖܪܯ Depois da construção do sistema foi feita a primeira caracterição da armadilha magneto-óptica de átomos de estrôncio 88 em nosso grupo, onde obtivemos a temperatura dos átomos na armadilha para o eixo vertical da expansão foi de ܶ = ܭ݉7.4e para o eixo horizontal de ܶ ு = 4 .ܭ݉ Também foi medido o tempo de carga dos átomos na armadilha ݐ = ݏ51.0como bombeamento óptico de estado 3 P 2 -3 D 2 .O tempo de vida foi de 0.3 ݏ ݁ 0.03 ݏ com e sem bombeamento óptico, respectivamente.
Este trabalho consiste em estudar a fraca transição 1 S 0 -3 P 1 do cálcio em um feixe atômico.Essa transição de intercombinação em 657 nm é promissora para um padrão unificado de comprimento, tempo e frequência.A sua detecção óptica diretamente é dificultada por ser uma transição fraca, i.e, com baixa taxa de espalhamento (γ ≈ 2000 s -1 ).Como o cálcio possui uma forte transição ( 1 S 0 -1 P 1 ) que compartilha o mesmo nível fundamental com essa transição fraca, podemos observar que quando dois lasers estão acessando ambas as transições o sinal de fluorescência da transição 1 S 0 -1 P 1 sofre uma mudança à medida que o laser em 657 nm aproxima-se da ressonância com a transição 1 S 0 -3 P 1 .Uma simulação foi realizada visando obter as populações de cada um dos três níveis envolvidos em função da dessintonia e intensidade dos lasers.
Nós demonstramos, pela primeira vez, o resfriamento via laser de um feixe atômico duplo. Ao se carregar um forno a 650oC com uma liga de Li179Na obtêm-se uma destilação efusiva que produz um feixe com fluxos idênticos de Li e de Na. Este feixe formado por duas espécies é desacelerado pela técnica Zeeman utilizando-se dessintonias iguais a Li = -850 MHz e Na = +150 MHz das respectivas transições atômicas 2S1/2 F = 2 2P3/2 F = 3. Em um segundo experimento, mostramos uma nova armadilha magneto-óptica bicromática, em cela de vapor. Obtivemos um incremento de ~10 vezes no número de átomos resfriados utilizando uma armadilha de Na do tipo I circundada por uma armadilha do tipo II, que não se superpõe à primeira. Isto ocorre quando temos o laser de captura a 12 MHz para o vermelho da transição 32S1/2 F = 2 32P3/2 F = 2. Em um terceiro experimento, observamos a primeira armadilha magneto-óptica para alcalinos operando na transição 2S1/2 2P1/2 (linha D1). Para o caso escolhido de átomos de sódio, obtêm-se quatro armadilhas diferentes dentro desta linha D1, contendo de 105 a 107 átomos resfriados. Para duas delas, é necessário inverter-se o sinal das polarizações circulares usuais dos lasers de resfriamento, devido aos desvios Zeeman negativos dos níveis hiperfinos inferiores