Neste trabalho estudamos o fenomeno de transparencia induzida eletromag-neticamente (EIT) em sistemas de tres niveis nas configuracoes lambda, V e cascata. Nestes sistemas, a transparencia de um feixe de prova e induzida por um feixe de acoplamento mais forte. Uma comparacao sistematica da largura do sinal de EIT e da dispersao no meio para os tres sistemas, usando diferentes valores relativos de comprimento de onda dos dois feixes, e apresentada para meios atomicos alargados inomogeneamente. A dependencia da EIT com o ângulo entre os feixes de prova e acoplamento e tambem investigada. Observamos que, embora os sinais de EIT mais estreitos e profundos, e uma maior inclinacao da curva de dispersao sejam obtidos para o sistema lambda, o sistema V e o mais robusto com relacao ao ângulo entre os feixes e ao comprimento de onda relativo dos feixes. Por fim, apresentamos os resultados obtidos no experimento realizado em um sistema de 3 niveis na configuracao cascata levando em conta os niveis 1S01 1P01 e 1D2em atomos de calcio, descrevendo o uso inedito da tecnica de detecao optogalvânica na observacao de EIT. Neste experimento observamos EIT em uma lâmpada de catodo oco de Ca com vapor de fundo de Kr que nos forneceu ate 76% de cancelamento da absorcao de um laser em 423 nm induzido por um laser amarelo 586 nm forte contrapropagante. EIT neste mesmo sistema cascata considerando uma geometria copropagante dos feixes de laser foi observada
Abstract
Neste trabalho estudamos o fenomeno de transparencia induzida eletromag-neticamente (EIT) em sistemas de tres niveis nas configuracoes lambda, V e cascata. Nestes sistemas, a transparencia de um feixe de prova e induzida por um feixe de acoplamento mais forte. Uma comparacao sistematica da largura do sinal de EIT e da dispersao no meio para os tres sistemas, usando diferentes valores relativos de comprimento de onda dos dois feixes, e apresentada para meios atomicos alargados inomogeneamente. A dependencia da EIT com o ângulo entre os feixes de prova e acoplamento e tambem investigada. Observamos que, embora os sinais de EIT mais estreitos e profundos, e uma maior inclinacao da curva de dispersao sejam obtidos para o sistema lambda, o sistema V e o mais robusto com relacao ao ângulo entre os feixes e ao comprimento de onda relativo dos feixes. Por fim, apresentamos os resultados obtidos no experimento realizado em um sistema de 3 niveis na configuracao cascata levando em conta os niveis 1S01 1P01 e 1D2em atomos de calcio, descrevendo o uso inedito da tecnica de detecao optogalvânica na observacao de EIT. Neste experimento observamos EIT em uma lâmpada de catodo oco de Ca com vapor de fundo de Kr que nos forneceu ate 76% de cancelamento da absorcao de um laser em 423 nm induzido por um laser amarelo 586 nm forte contrapropagante. EIT neste mesmo sistema cascata considerando uma geometria copropagante dos feixes de laser foi observada
Abstract
Neste trabalho, estudamos os mecanismos de descoerência entre níveis fundamentais degenerados de um sistema atômico. Isso foi possível a partir da investigação de espectros de absorção de um feixe de prova, após atravessar um sistema atômico de três níveis na configuração “Lambda" (Ʌ), na presença de um feixe intenso de controle. O sistema atômico considerado era preparado numa superposição coerente de seus estados fundamentais, o “estado escuro", através de processos de bombeamento óptico, possibilitando a observação de um efeito conhecido na literatura como Transparência Eletromagneticamente Induzida (EIT, Electromagnetically Induced Transparency). O efeito de EIT é verificado quando os dois campos estão na condição de ressonância de dois fótons, levando a uma diminuição na absorção dos feixes pelos átomos. Para os experimentos, utilizamos uma células contendo vapor atômico de césio em temperatura ambiente e sondamos a transição hiperfina F = 3 ↔ F’ = 2 pertencente a sua linha D2. O sistema físico real possui degenerescências, mas pode se comportar como um sistema simples de três níveis quando manipulamos adequadamente as polarizações dos feixes incidentes, que em nosso caso possuíam polarizações circulares opostas. Investigamos o comportamento do sinal de EIT com a intensidade do feixe de controle, com o diâmetro dos feixes e com o ângulo formado entre eles. O modelo teórico desenvolvido, considerando um dos feixes muito mais intenso do que o outro, de forma a nos possibilitar tratar o problema de forma perturbativa, nos levou a uma solução aproximada para a equação da coerência que apresentou um bom acordo, qualitativo e quantitativo, com os resultados experimentais.
A incidência simultânea de dois feixes luminosos em um ou mais átomos provoca a interferência destrutiva desses feixes em um dos estados atômicos causando o cancelamento da absorção de um dos feixes incidentes e esse fenômeno é denominado Transparência Eletromagneticamente Induzida (Electromagnetically Induced Transparency", EIT). O objetivo principal deste trabalho é mostrar que a Transparência Eletromagneticamente Induzida, que é normalmente estudada no contexto quântico, pode ser modelada classicamente em função de osciladores harmônicos amortecidos forçados e acoplados. Para que a equivalência clássica seja bem fundamentada, será apresentada a teoria da EIT em diversos sistemas quânticos e também a teoria dos osciladores harmônicos clássicos. As equivalências serão realizadas comparando as equações de movimento clássicas e quânticas obtidas para cada regime. Para isso, vamos realizar a equivalência da EIT em sistemas quânticos de átomos de três níveis em configuração Λ, dois níveis atômicos mais um modo da cavidade e a optomecânica de cavidades com o sistema clássico de dois osciladores harmônicos amortecidos forçados e acoplados. Logo após, será analisada a equivalência de dois sistemas quânticos compostos por átomos de três níveis mais um modo da cavidade e átomos de quatro níveis com os sistemas clássicos de três osciladores harmônicos amortecidos forçados e acoplados em diferentes configurações.
Transparência eletromagneticamente induzida (EIT) é um efeito óptico coerente gerado por meio de interferência quântica destrutiva. Esse efeito ocorre quando um meio opaco se torna transparente à radiação de um feixe de sonda P, devido à presença de um campo de bombeiamento F. Na literatura, em geral, a EIT é estudada em sistemas de três níveis. Mistura de quatro ondas (MQO) é um processo não linear que ocorre a partir da interação de três campos eletromagnéticos (F, P e B) com um meio atômico, gerando um quarto campo. Em nosso trabalho, investigamos o efeito de EIT e MQO em um sistema de quatro níveis em vapor atômico de césio em temperatura ambiente. A experiência foi realizada utilizando uma configuração de sistema duplo-, em que os dois campos incidentes são sintonizados nas ressonâncias de "crossover"com o auxílio da técnica de absorção saturada. Na experiência de EIT, os feixes são copropagantes e, embora a condição de ressonância Raman seja independente da velocidade atômica, o efeito Doppler desempenha um papel importante no sinal medido experimentalmente. Desta forma, um modelo teórico, baseado no formalismo de matriz densidade, que leva em conta a contribuição de todos os grupos de velocidade, é apresentado para descrever qualitativamente as observações experimentais. Utilizando a configuração de um sistema duplo-descrito acima, realizamos experiências de MQO e, medimos a dependência do sinal gerado como função da potência do feixe F. Nessa configuração, os feixes F e B são contra-propagantes e, devido à seleção de velociade causada pelo efeito Doppler, desenvolvemos um modelo teórico que considera a contribuição de um único grupo de velocidade para obtenção do sinal. Esse modelo reproduz razoavelmente bem as principais características das medidas observadas
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.
Nesta dissertação desenvolvemos um modelo teórico para estudar os efeitos coerentes da transparência eletromagneticamente induzida (EIT), que é baseada no aprisionamento coerente de população (CPT), e da absorção eletromagneticamente induzida (EIA), associada ao mecanismo da transferência espontânea de coerência dos estados excitados para os estados fundamentais, em vapor atômico. Consideramos um modelo semi-clássico, onde os átomos são tratados como um sistema de quatro níveis interagindo com dois campos ópticos (um campo forte e um fraco) em uma confi guração do tipo N. Obtivemos a solução analítica e numérica realizando uma análise detalhada da largura das ressonâncias de EIA e EIT em função da potência do campo forte para diferentes taxas de transferência espontânea da coerência, associada no modelo ao parâmetro B. Nossos resultados mostram que, quanto maior o valor de B menor o alargamento por potência das ressonâncias de EIT ou de EIA. No caso extremo, B = 1, observamos apenas a ressonância de EIA livre de alargamento por potência. Por outro lado, um maior alargamento ocorre quando temos B = 0, onde apenas o efeito de EIT é observado e nosso modelo é equivalente a um sistema do tipo A. Além disso, obtivemos os mesmos resultados analisando os espectros de fluorescência, mostrando que as ressonâncias estreitas observadas têm o mesmo comportamento que o espectro de absorção do campo fraco. Outro resultado bastante interessante obtido do nosso modelo, é que para alguns valores de B e da potência do campo forte não é possível identi car qualquer efeito coerente nos espectros de absorção e de fluorescência. Desta forma, determinamos uma curva de B em função da potência do campo forte mostrando quais condições devem ser satisfeitas para observar o sinal de EIT ou de EIA. Para avaliar as soluções analíticas obtidas através de métodos perturbativos, obtivemos a solução numérica do conjunto de equações obtendo um excelente acordo entre as soluções analíticas aproximadas e as soluções numéricas exatas. Uma das aplicações dos resultados obtidos neste trabalho é permitir a criação de novas técnicas de magnetometria de alta resolução, como também a construção de novas memórias atômicas baseadas em ressonâncias do tipo EIA.
Por meio da espectroscopia de ruído, estudamos a correlação entre dois feixes de luz com polarizações circulares opostas, acoplando a transição 5S1/2 F=2 à 5P3/2 F1=2 em configuração de Transparência Eletromagneticamente Induzida (EIT sigla em inglês) com átomos frios de Rubídio 85. Observamos a mudança de correlação para anti-correlação entre os feixes de prova e controle fora da ressonância, conforme aumentamos a sua potência. Esta transição é uma consequência da competição que existe entre a absorção de um fóton no sistema , responsável pelo regime de correlação, e as transições Stokes e Anti-Stokes que produzem a anti-correlação dos feixes. A partir dos espectros do sinal médio da intensidade e da correlação de ruído observamos, nesta última, que o pico de EIT é livre de alargamento por potência, o que possibilita que a medida do tempo de coerência entre os níveis fundamentais na condição de EIT seja mais precisa. Usando o modelo de Difusão de Fase para campos em EIT em configuração, observamos que os espectros teóricos de correlação estão de acordo com os dados experimentais. Isto mostra que esta teoria modela um sistema que envolve níveis hipefinos com degenerescência, através de um sistema simples de 3 níveis. O modelo também prevê o não alargamento do pico de correlação e mostramos ser esta uma medida mais fina de caracterização da largura de linha em comparação ao sinal médio da intensidade.