Um detector de catodo quente é construído. As características de operação foram medidas e estabelecido o ponto ótimo de operação na detecção de átomos de sódio. Uma aplicação do detector desenvolvido foi feita com experimentos de deflexão de feixe atômico por luz. Os casos para deflexão por onda caminhante e onda estacionária foram investigados. A dependência com a dessintonia entre a freqüência do laser ω∫ e a freqüência da transição 3S1/2 (F=2, m=2) → 3P3/2 (F=3, m=3) do átomo de sódio foi analisada para todos os casos.
Um detector de catodo quente é construído. As características de operação foram medidas e estabelecido o ponto ótimo de operação na detecção de átomos de sódio. Uma aplicação do detector desenvolvido foi feita com experimentos de deflexão de feixe atômico por luz. Os casos para deflexão por onda caminhante e onda estacionária foram investigados. A dependência com a dessintonia entre a freqüência do laser ω∫ e a freqüência da transição 3S1/2 (F=2, m=2) → 3P3/2 (F=3, m=3) do átomo de sódio foi analisada para todos os casos.
Um detector de catodo quente é construído. As características de operação foram medidas e estabelecido o ponto ótimo de operação na detecção de átomos de sódio. Uma aplicação do detector desenvolvido foi feita com experimentos de deflexão de feixe atômico por luz. Os casos para deflexão por onda caminhante e onda estacionária foram investigados. A dependência com a dessintonia entre a freqüência do laser ω∫ e a freqüência da transição 3S1/2 (F=2, m=2) → 3P3/2 (F=3, m=3) do átomo de sódio foi analisada para todos os casos.
Este trabalho relata o desenvolvimento de todo o aparato experimental para a realização de aprisionamento de césio através de uma armadilha magneto-óptica. As fontes de luz neste processo foram os lasers de diodo e todo seu sistema para operação, estabilização e redução da largura de linha foi construído. As medidas das constantes de mola e amortecimento foram realizadas como função dos parâmetros característicos das armadilhas de césio e de sódio. Também realizamos outros experimentos com átomos aprisionados de sódio na presença de duas freqüências, linha D1 e D2. A primeira medida constitui na obtenção da taxa de colisões entre átomos aprisionados na linha D1 e depois foi realizado observações de uma nova estrutura operando neste regime.
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
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.
A interação entre a luz e a matéria pode dar origem a interessantes fenômenos não lineares. Entre eles, o processo da mistura de quatro ondas (MQO), que corresponde à geração de um quarto campo de luz quando três campos de luz incidem em um meio não linear, é um dos mais estudados na óptica não linear. Neste trabalho investigamos, experimental e teoricamente, o processo da MQO em uma amostra de átomos de césio esfriados e aprisionados em uma Armadilha Magneto-Óptica (AMO). Para realizar a experiência, preparamos uma nuvem densa de átomos no nível hiperfino F = 3 do estado fundamental do césio. Usamos a configuração de conjugação de fase óptica para os feixes da mistura, provenientes de um mesmo laser de diodo de cavidade externa (LDCE) e identificados por F (Foward), P (Probe) e B (Backward). Os feixes F e P têm polarizações circulares opostas e frequências iguais, que podem ser varridas simultaneamente usando um par de Moduladores Acusto-Ópticos (MAO). Estes dois feixes incidem no meio formando um pequeno ângulo de 4o entre eles. Enquanto que o feixe B com polarização oposta à do feixe F e contrapropagante a ele, é sintonizado na transição F = 3 ↔ F = 2 dentro da linha D2 do césio. O sinal gerado C é monitorado em função da frequência comum de F e P, e detetado na direção oposta à do feixe P. Nestas condições, a forma de linha do sinal obtido da MQO apresenta ressonâncias largas e estreitas, evidenciando a contribuição da coerência Zeeman induzida no sistema. Em particular, medimos a dependência do sinal C como função da intensidade do feixe de bombeio F. Realizamos também uma análise teórica do problema, modelando nosso sistema atômico como um ensemble de átomos de três níveis efetuando um cálculo perturbativo para resolver as equações de matriz densidade do sistema. Finalmente mostramos que este modelo teórico descreve qualitativamente bem as observações experimentais
Neste trabalho investigamos algumas características espectrais e temporais tanto dos fei- xes transmitidos como dos sinais gerados em um processo de mistura de quatro ondas. Usando um vapor de átomos de rubídio como meio não linear, estudamos tais características sob duas condições: (i) quando os feixes de luz incidentes na amostra são produzidos por dois lasers independentes e (ii) quando os feixes incidentes são produzidos por um único laser. Quando dois lasers independentes são utilizados, a frequência de um dos feixes incidentes é mantida fixa, e os espectros são obtidos em função da frequência do outro feixe. Detectamos simultâ- neamente, para diferentes intensidades dos campos incidentes, os espectros de transmissão e dos sinais de mistura de quatro ondas (MQO) gerados para frente. Os espectros de transmis- são apresentam picos que coincidem com as frequências das transições hiperfinas da linha D2 correspondentes ao estado Fg = 3 do 85Rb. Devido ao efeito Doppler, o ordenamento destes picos depende de que laser tem sua frequência variando. Por outro lado, os espectros dos si- nais de mistura de quatro ondas apresentam um único pico fino, próximo da transição cíclica, mas que ocorre com uma pequena separação em frequência entre eles. Um modelo teórico, desenvolvido a partir das equações óticas de Bloch para um sistema de três níveis, nos permite interpretar o deslocamento em frequência observado no sinal não linear como um efeito do comportamento anômalo do índice de refração do meio devido à interação com dois campos intensos. Na outra condição temos um único laser, de forma que os dois feixes incidentes têm sempre a mesma frequência. Neste caso analisamos um processo de mistura de quantro ondas degenerada para frente. O laser de diodo cw apresenta flutuações de amplitude e de fase. Es- tas últimas são transformadas em flutuações de intensidade mediante o processo de interação com o meio atômico. Mantendo a frequência do laser fixa, registramos simultaneamente as flutuações de intensidade como função do tempo dos sinais de transmissão e de misturas de quatro ondas. A partir destas séries temporais, obtivemos as correlações entre os dois sinais de transmissão e entre os dois sinais de mistura para diferentes condições de polarização, in- tensidade dos feixes incidentes e temperatura do vapor. Obtivemos valores de correlação entre os sinais de transmissão em τ = 0 de 0.87, e entre os sinas de mistura de quatro ondas de até 0.94. Nossos resultados indicam uma diminuição da largura do pico de correlação com o au- mento da intensidade dos feixes incidentes, e a presença de uma oscilação na correlação, cuja frequência tende a aumentar com a intensidade. Para analisar estes resultados experimentais desenvolvemos um modelo teórico baseado no formalismo de matriz densidade, considerando um sistema de dois níveis interagindo com campos eletromagnéticos com uma fase estocástica definida por um processo de Ornstein-Uhlenbeck. Assim obtivemos um sistema de equações diferenciais estocásticas, que resolvemos numericamente aplicando as regras do cálculo de Itô. A partir da coerência σ21 integrada em velocidades podemos obter a série temporal e comparar as correlações com os resultados experimentais. Este modelo teórico nos permite investigar o efeito da distribuição de velocidades na correlação, assim como a existencia de uma relação entre a frequência de oscilação nas curvas de correlação e as frequências de Rabi do sistema.