Nesta tese apresentamos um estudo teorico da interacao coerente entre trens de pulsos ultracurtos e sistemas atomicos simples de dois e tres niveis, este ultimo na configuracao L.
Primeiramente avaliamos a situacao em que um trem de pulsos ultracurtos nao so sonda um sistema de tres niveis na configuracao L, mas tambem leva o a configuracao do Nessas condicoes estudamos o efeito do acumulo coerente de excitacao na transparencia eletromagneticamente induzida (EIT) experimentada pelo trem de pulsos ultra-curtos. Mostramos que os parâmetros do trem de pulsos ( area do pulso, diferenca de fase entre pulsos consecutivos e periodo de repeticaco dos pulsos) determinam a dinâmica da formacao da EIT. Em seguida estudamos os efeitos da propagacao do trem de pulsos ultracurtos atraves de um meio atomico estendido, constituido por sistemas de dois e tres niveis na configuracaco L. Mostramos que no caso em que o meio e constituido por sistemas de dois niveis a frequencia central dos pulsos e rapidamente removida devido a propagacao, prejudicando o efeito de acumulo coerente. Ja para o meio constituido por sistemas de tres niveis o efeito acumulativo e observado e coerencia e transferida ao meio, levando a uma sobreposicao linear entre os niveis fundamentais, sobreposicao esta que esta associada a formacao da EIT. Apos um numero suficientemente grande de pulsos o meio se torna transparente aos pulsos subsequentes que se propagam sem sofrer alteracoes em seu perfil temporal e espectral.
Outra situacao que estudamos nesta tese e aquela onde o sistema atomico e excitado por um campo continuo monocromatico levando o a configuracao do atomo vestido. Este sistema e, entao, investigado por um trem de pulsos ultracurtos. Neste caso mostramos que a utilizacao do trem de pulsos ultracurtos permite a realizacao de espectroscopia de alta resolucao dos estados atomicos vestidos induzidos pelo campo continuo monocromatico
Abstract
Nesta tese apresentamos um estudo teorico da interacao coerente entre trens de pulsos ultracurtos e sistemas atomicos simples de dois e tres niveis, este ultimo na configuracao L.
Primeiramente avaliamos a situacao em que um trem de pulsos ultracurtos nao so sonda um sistema de tres niveis na configuracao L, mas tambem leva o a configuracao do Nessas condicoes estudamos o efeito do acumulo coerente de excitacao na transparencia eletromagneticamente induzida (EIT) experimentada pelo trem de pulsos ultra-curtos. Mostramos que os parâmetros do trem de pulsos ( area do pulso, diferenca de fase entre pulsos consecutivos e periodo de repeticaco dos pulsos) determinam a dinâmica da formacao da EIT. Em seguida estudamos os efeitos da propagacao do trem de pulsos ultracurtos atraves de um meio atomico estendido, constituido por sistemas de dois e tres niveis na configuracaco L. Mostramos que no caso em que o meio e constituido por sistemas de dois niveis a frequencia central dos pulsos e rapidamente removida devido a propagacao, prejudicando o efeito de acumulo coerente. Ja para o meio constituido por sistemas de tres niveis o efeito acumulativo e observado e coerencia e transferida ao meio, levando a uma sobreposicao linear entre os niveis fundamentais, sobreposicao esta que esta associada a formacao da EIT. Apos um numero suficientemente grande de pulsos o meio se torna transparente aos pulsos subsequentes que se propagam sem sofrer alteracoes em seu perfil temporal e espectral.
Outra situacao que estudamos nesta tese e aquela onde o sistema atomico e excitado por um campo continuo monocromatico levando o a configuracao do atomo vestido. Este sistema e, entao, investigado por um trem de pulsos ultracurtos. Neste caso mostramos que a utilizacao do trem de pulsos ultracurtos permite a realizacao de espectroscopia de alta resolucao dos estados atomicos vestidos induzidos pelo campo continuo monocromatico
Abstract
Apresentamos uma abordagem, com ênfase no domínio das frequências, para o problema da excitação de átomos por um trem de pulsos ultracurtos. Trabalhamos no regime de acumulação coerente, no qual o intervalo de tempo entre os pulsos é menor do que os tempos de relaxação do meio. Primeiramente, revisamos os fundamentos da interação coerente entre lasers, contínuos e pulsados, e sistemas atômicos, onde introduzimos o formalismo da matriz densidade para um sistema de dois níveis. Este formalismo é depois estendido para sistemas de três níveis na configuração tipo lambda e em cascata. Utilizamos a solução numérica das equações de Bloch integradas no tempo para modelar a impressão do pente de frequências no perfil Doppler de um vapor de átomos de rubídio na presença de um feixe de prova contínuo. No regime de campo fraco, apresentamos um tratamento teórico para a coerência atômica induzida por um trem de pulsos em átomos de dois níveis, que nos permitiu chegar a uma solução fechada para a coerência em termos dos modos do pente de frequências. Essa abordagem, no domínio da frequência, é usada para analisar o armazenamento coerente de população em um sistema de três níveis do tipo lambda, nas proximidades das ressonâncias de um e de dois fótons. A partir de resultados numéricos e analíticos, obtemos um pente de linhas de transparência eletromagneticamente induzida (EIT). Propomos a observação experimental desse pente de EIT no perfil Doppler através de um feixe de prova contínuo. Por fim, empregamos a abordagem no domínio das frequências para modelar resultados de dois experimentos. No primeiro, usamos um laser de diodo contínuo para sondar o bombeio óptico induzido por um laser de Ti:safira com 1 GHz de taxa de repetição em vapor de átomos de rubídio. A alta taxa de repetição permitiu resolver as transições hiperfinas para os estados 5P1/2 e 5P3/2. Discutimos os resultados obtidos a partir das técnicas de espectroscopia seletiva em velocidade e da espectroscopia com taxa de repetição. No segundo experimento, usamos a ação combinada do laser de diodo e do trem de pulsos ultracurtos na transição ressonante por dois fótons 5S−5P−5D para fazer espectroscopia dos níveis hiperfinos 5D3/2 e 5D5/2. O experimento é realizado sem travar a frequência de off-set do laser de Ti:safira, a qual estimamos a partir dos resultados experimentais.
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.
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.
Neste trabalho estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.
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.
Neste tese apresentamos um estudo teorico dos efeitos de coerencia atomica em vapor atomico com o proposito de estudar teoricamente efeitos oticos nao-lineares transversais a baixas intensidades de luz. Sob a condicao da transparencia induzida eletromagneticamente, um meio atomico pode desenvolver nao-linearidades oticas gigantes, possibilitando a observacao de efeitos oticos nao-lineares a baixas intensidades. Investigamos tres efeitos transversais: emissao conica, focalizacao induzida e feixes de vortices induzidos eletromagneticamente. Todos estes tres efeitos tem origem na modulacao de fase cruzada entre um laser de prova e um laser sinal, ambos fracos, com intensidades abaixo da intensidade de saturacao das transicoes as quais estao acopladas. Em emissao conica, descrevemos a formacao de aneis ao redor de um feixe de prova fraco. No estudo de focalizacao induzida, descrevemos como que a aplicacao de uma mascara de intensidade ao feixe sinal pode levar a formacao de lentes GRIN no vapor atomico, induzindo a focalizacao do laser de prova. Por ultimo, estudamos a conversao do feixe de prova em um feixe de vortice otico pela aplicacao de uma mascara de intensidade espiral ao feixe sinal
Abstract