El proposito general de esta tesis es estudiar, mediante simulaciones numericas, la propagacion de haces de luz laser en los denominados medios opticos cubico-quimicos (C-Q). Estos materiales se caracterizan por tener un indice de refraccion que depende de la potencia del haz de luz incidente, de tal manera que es autoenfocante para intensidades bajas y autodesenfocante para intensidades altas. En este tipo de medios la luz adquiere unas propiedades fisicas similares a las de los fluidos habituales, como la existencia de vortices estables y de tension superficial. Este proceso puede interpretase como una transicion de fase de un gas de fotones a un 'liquido de luz'.
En primer lugar se ha estudiado, de manera teorica, como utilizar un sistema atomico de cuatro niveles con transparencia inducida electromagneticamente (EIT) para alcanzar una situacion con susceptibilidades de tercer y quinto orden gigantescas y de signo opuesto. Una eleccion adecuada de los parametros permite obtener condensados de luz bidimensionales estables. Nuestros resultados teoricos podrian ser la base para experimentos reales en optica no lineal con laseres continuos de mW.
Para la determinacion de indices de refraccion no lineales, se ha considerado la tecnica de Z scan. Se ha desarrollado una teoria simple basada en el metodo de los momentos, que permite ajustar los datos experimentales de Z scan.
Se han obtenido los estados estacionarios de la ecuacion no lineal de Schrodinger C-Q, para diferentes potencias del haz, y se han formulado experimentos ideales para estudiar su dinamica. Las propiedades fisicas del estado resultante, como tension superficial, son similares a las de los fluidos habituales.
Despues se ha realizado una comparacion entre los estados estacionarios del medio C-Q y los que se obtienen para el sistema atomico de cuatro niveles con EIT, obteniendo resultados muy similares.
Posteriormente se han calculado estados ti
El proposito general de esta tesis es estudiar, mediante simulaciones numericas, la propagacion de haces de luz laser en los denominados medios opticos cubico-quimicos (C-Q). Estos materiales se caracterizan por tener un indice de refraccion que depende de la potencia del haz de luz incidente, de tal manera que es autoenfocante para intensidades bajas y autodesenfocante para intensidades altas. En este tipo de medios la luz adquiere unas propiedades fisicas similares a las de los fluidos habituales, como la existencia de vortices estables y de tension superficial. Este proceso puede interpretase como una transicion de fase de un gas de fotones a un 'liquido de luz'.
En primer lugar se ha estudiado, de manera teorica, como utilizar un sistema atomico de cuatro niveles con transparencia inducida electromagneticamente (EIT) para alcanzar una situacion con susceptibilidades de tercer y quinto orden gigantescas y de signo opuesto. Una eleccion adecuada de los parametros permite obtener condensados de luz bidimensionales estables. Nuestros resultados teoricos podrian ser la base para experimentos reales en optica no lineal con laseres continuos de mW.
Para la determinacion de indices de refraccion no lineales, se ha considerado la tecnica de Z scan. Se ha desarrollado una teoria simple basada en el metodo de los momentos, que permite ajustar los datos experimentales de Z scan.
Se han obtenido los estados estacionarios de la ecuacion no lineal de Schrodinger C-Q, para diferentes potencias del haz, y se han formulado experimentos ideales para estudiar su dinamica. Las propiedades fisicas del estado resultante, como tension superficial, son similares a las de los fluidos habituales.
Despues se ha realizado una comparacion entre los estados estacionarios del medio C-Q y los que se obtienen para el sistema atomico de cuatro niveles con EIT, obteniendo resultados muy similares.
Posteriormente se han calculado estados ti
En la actualidad existen tecnologías cuánticas que requieren de la disponibilidad de fuentes de luz no-clásica eficientes. El fenómeno de generación paramétrica descendente espontánea (SPDC) constituye un método práctico para la generación de este tipo de luz. Este método está basado en la interacción de campos electromagnéticos clásicos con materiales no-lineales por medio de procesos paramétricos. En general, el SPDC se ha utilizado e implementado experimentalmente para la generación de parejas de fotones utilizando materiales no-lineales de segundo y tercer orden. En la última década se ha buscado la manera de obtener múltiples fotones enredados. En este trabajo se presenta un estudio teórico del proceso de generación paramétrica espontánea descendente de tercer orden (TOSPDC) en materiales con una no-linealidad caracterizada por X(3), en donde se generan ternas de fotones enredados. De manera específica, consideramos la utilización de fibras ópticas ultra-delgadas como el medio no-lineal para el proceso de TOSPDC, en configuraciones en donde el empatamiento de fases se logra mediante el uso de diferentes modos transversales de propagación de la fibra, en particular cuando la luz generada se propaga en el modo fundamental y el bombeo en el primer modo excitado. Este trabajo está enfocado en proponer diseños de fuentes de ternas de fotones TOSPDC con los detalles necesarios, de tal manera que puedan ser implementados de manera experimental. Nuestro trabajo de investigación se enfoca en la descripción teórica del estado de tres fotones y en las características de empatamiento de fases de TOSPDC. Además se hace un análisis de la tasa de emisión de las fuentes propuestas en relación con los parámetros experimentales clave, como lo son la longitud de la fibra, el ancho de banda y la potencia de bombeo para cada una de las fuentes propuestas: casos de generación TOSPDC degenerada en frecuencia y no-degenerada en frecuencia. De manera adicional, se hace un estudio preliminar sobre las condiciones de empatamiento de velocidad de grupo para así lograr un control sobre las propiedades de enredamiento de las ternas de fotones emitidas.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
RESUMEN: En el marco de la teoría de la respuesta, los estados cuánticos estacionarios permiten explorar las propiedades ópticas de los materiales. En uno de sus fenómenos más interesantes, es posible suprimir los efectos de dispersión y absorción sobre la luz incidente, efecto conocido como transparencia inducida electromagnéticamente o EIT por sus siglas en inglés. Este efecto ha sido ampliamente estudiado y aplicado en sistemas atómicos de tres niveles tipo lambda, confinados en cavidades ópticas y estructuras semiconductoras más complejas como moléculas de puntos cuánticos. En este trabajo exploramos la dinámica de moléculas de puntos cuánticos acopladas a campos en resonancia y fuera de resonancia, incluyendo a su vez los efectos de disipación y decoherencia con acoples no resonantes como las interacciones electrón-fonón a nivel de una ecuación maestra. Se propone un formalismo de cuadro rotante que elimina las dependencias temporales en los hamiltonianos de los campos clásicos o cuánticos externos. Se calculan propiedades ópticas como la susceptibilidad y el índice de refracción a través de teoría de perturbaciones y métodos exactos, en función de las distintas tasas y niveles de energía de las moléculas. Estos resultados muestran comportamientos similares a los gases atómicos, donde sus propiedades ópticas se ven modificadas. Además numéricamente se exploran los efectos de acoples no resonantes sobre sistemas con radiación cuantizada.
El objetivo principal de la investigación de la que da cuenta esta memoria es el estudio de la propagación sublumínica y superlumínica de pulsos y señales sinusoidales de luz a través de fibras dopadas con iones de Er3+. Debido a la interacción de la radiación con los iones de erbio, la velocidad de grupo de las señales puede diferir en varios órdenes de magnitud de la velocidad de la luz en el vacío c.\nEn concreto, se ha estudiado la influencia de los procesos de ganancia/absorción y de los fenómenos de transferencia de energía en la propagación sublumínica y superlumínica de señales sinusoidales y pulsos de luz en fibras altamente dopadas con iones de erbio (HEDFs). En estas fibras, los efectos no lineales de propagación son importantes, debido a la alta concentración de iones de Er3+, y a la presencia de clusters de iones, que dan lugar a fenómenos de transferencia de energía (upconversion). El estudio de estos fenómenos ha sido imprescindible para interpretar los resultados experimentales obtenidos. Por otro lado, se han buscado nuevos mecanismos que permitan mejorar la figura de mérito retardo/ancho de banda en fibras dopadas con erbio a temperatura ambiente. Se ha desarrollado una técnica, basada en la modulación de un haz de bombeo, que permite la mejora de los resultados anteriormente conseguidos en fibras dopadas con erbio. Se estudió teóricamente la implementación de esta técnica en otro sistema experimental, los amplificadores ópticos de semiconductor. Complementariamente al estudio del retardo/adelanto, se han estudiado otros parámetros de la señal propagada, como el ensanchamiento y la distorsión, importantes para una posible implementación de la técnica en dispositivos tecnológicos. La metodología de trabajo ha consistido en la realización de experimentos para medir la velocidad de grupo de señales propagándose en fibras dopadas con erbio. La realización de simulaciones numéricas, así como el desarrollo de modelos analíticos, han permitido explicar los resultados obtenidos. Con el fin de estudiar la dependencia de los retardos/avances con las propiedades de la fibra (dopaje, longitud), así como con las propiedades de la señal (anchura en el caso de los pulsos, frecuencia de modulación en el caso de señales sinusoidales, amplitud, cociente potencia de señal/potencia background) y con el bombeo óptico, se ha implementado un sistema experimental que permite la medida de adelantos y retardos de señales luminosas de ancho de banda variable que se propagan por las fibras, respecto de una señal de referencia. Se ha desarrollado un modelo teórico a partir del modelo de oscilaciones coherentes de la población (CPO) particularizado para fibras dopadas con erbio, que incluye los fenómenos de upconvesion, para explicar los resultados experimentales. Para ciertas situaciones experimentales, este modelo permite obtener expresiones analíticas para el desfase debido a las CPO. Para las situaciones donde los efectos de propagación son importantes, las ecuaciones de propagación fueron resueltas numéricamente mediante simulaciones por ordenador.
Un amplificador optico no respeta la estadistica de la luz incidente, por tanto, es necesario caracterizarlo estadisticamente. Con este fin se obtiene un modelo matematico basado en la ecuacion de la matriz densidad de fotones, la cual describe el comportamiento tanto lineal como no lineal del amplificador. Este modelo conduce a un sistema de ecuaciones diferenciales no lineales que proporcionan la evolucion temporal de los momentos estadisticos de la luz amplificada. Se ha puesto enfasis en el estudio de los momentos estadisticos y mas concretamente el de primer y segundo orden ya que su conocimiento permite calcular la relacion senal/ruido. Con el estudio del caso de hoy alta saturacion se vislumbra la posibilidad de reducir las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz amplificada. Y, en consecuencia, mejorar la relacion senal/ruido. Con los resultados y conclusiones obtenidos hasta aqui, se realiza el estudio de un sistema formado por dos amplificadores opticos en cascada, el primero amplifica la senal proporcionando un nivel adecuado a la entrada del segundo para que este trabaje en regimen no lineal. Se ha analizado la influencia de los parametros de saturacion de los dos amplificadores y de sus longitudes en la relacion senal/ruido. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo modelo para caracterizar una mezcla de medios saturables a partir de la e.M.D.F., lo cual ofrece la posibilidad de calcular las fluctuaciones estadisticas relativas de la luz. Se demuestra que un amplificador optico con una combinacion adecuado de los procesos saturables y de las perdidas lineales puede comportarse como un regenerador no sincronizado.
En este trabajo se presenta un estudio experimental de propagación de haces Bessel y haces Gaussianos en vapores atómicos bajo las condiciones a las cuales se produce el efecto de emisión cónica anómala (ECA).En la primera parte del presente se exhiben las bases teóricas de la óptica no lineal en vapores atómicos con el fin de entender uno de los modelos más aceptados que intentan describir la emisión cónica.De la ecuación de onda no lineal, se obtienen las ecuaciones acopladas de uno de los fenómenos más sencillos de mezclado de ondas, la generación de suma de frecuencias.Este ejemplo permite definir la condición de acoplamiento de fase y después generalizar para obtener las ecuaciones acopladas generales de un proceso de mezclado de cuatro ondas.Después se obtienen las expresiones para la polarización no lineal y la susceptibilidad no lineal con el formalismo de la matriz de densidad para un sistema de dos niveles.También se hace una revisión sobre las investigaciones teóricas y experimentales más significativas de la emisión cónica y se describen las características generales de la ECA.Por último, se incluye un resumen de la teoría de los haces ópticos utilizados en los experimentos, Gaussianos y Bessel.Se hace especial énfasis en las propiedades de los haces Bessel que son relevantes para este trabajo, así como en el método utilizado para la generación de haces Bessel a través de una lente cónica.La segunda parte concierne al desarrollo del sistema experimental utilizado.Se produjo la ECA con haces Gaussianos y haces Bessel de orden cero, excitando la primera transición del calcio atómico 3p 6 4s 2 1 S 0 → 3p 6 4s4p 1 P 0 (λ Ca = 422.67nm)con un láser de pigmento sintonizable, bombeado por el tercer armónico de un láser de Nd:YAG.Los haces Bessel fueron generados a partir de iluminar una lente axicón de 1 • con el láser de pigmento.Después se analizan los resultados obtenidos a través de 9 imágenes y se comparan los ángulos de los anillos en función del tipo de haz que los produjo.Tras la serie de experimentos, se encontró, que dada una longitud de onda, el ángulo del anillo de la emisión cónica cambiaba dependiendo de que tipo de haz se utilizara para excitar el vapor atómico.ix xi 4. HACES ÓPTICOS 4.1.Propagación de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1.1.Ecuación de onda paraxial . . . . . . . . . . . . . . .4.2.Propiedades de los haces Gaussianos . . . . . . . . . . . . .4.3.Haces Bessel . . . .