Os lasers semicondutores sao dispositivos oticos muito usados em varios campos de pesquisas, tais como em fisica atomica e em espectroscopia, e em aplicacoes tecnologicas, por serem dispositivos oticos muito acessiveis se comparados a outros tipos de lasers. Eles estao disponiveis em uma grande variedade de comprimentos de ondas e possuem baixo custo. Por serem dispositivos de ganho alto e cavidade pobre, os lasers de diodo sao bastante sensiveis a realimentacao otica, tendo sua potencia, frequencia e fase alteradas. Esta propriedade e comumente usada para modificar propriedades de emissao do diodo laser. Dois tipos de realimentacao otica sao tipicamente usados: realimentacao paralela e ortogonal. No caso em que a realimentacao paralela e utilizada, ha usualmente uma variacao da potencia emitida pelo laser. Em contrapartida, quando a realimentacao ortogonal e utilizada, ou seja, quando a luz reinjetada no diodo tem polarizacao ortogonal aquela de emissao, a potencia emitida permanece inalterada e ocorre modificacao exclusivamente na frequencia emitida. O grupo de Fisica Atomica e Lasers mostrou que usando realimentacao ortogonal filtrada espectralmente por um vapor atomico e possivel reduzir a largura de linha do laser de diodo e obter biestabilidade em frequencia para a emissao laser. Os resultados citados acima nao apresentam comportamento dinâmico. A fim de observar comportamento dinâmico em frequencia, como oscilacoes e caos, devemos aumentar a dimensionalidade do sistema. Para aumentar a dimensionalidade do sistema montamos um experimento com dois lasers acoplados atraves de injecao mutua com polarizacao ortogonal. Os feixes dos dois lasers sao acoplados em uma celula de vapor atomico em uma configuracao tipo absorcao saturada. Mostramos que com esta configuracao e possivel observar oscilacoes exclusivamente na frequenciados lasers. Afim de tentar entender a origem destas oscilacoes, analisamos como a transmissao do filtro espectral, a ser injetada no laser oposto, depende das frequencias dos dois lasers e qual as consequencias na variacao de frequencia dos lasers induzida pela realimentacao.
Os lasers semicondutores sao dispositivos oticos muito usados em varios campos de pesquisas, tais como em fisica atomica e em espectroscopia, e em aplicacoes tecnologicas, por serem dispositivos oticos muito acessiveis se comparados a outros tipos de lasers. Eles estao disponiveis em uma grande variedade de comprimentos de ondas e possuem baixo custo. Por serem dispositivos de ganho alto e cavidade pobre, os lasers de diodo sao bastante sensiveis a realimentacao otica, tendo sua potencia, frequencia e fase alteradas. Esta propriedade e comumente usada para modificar propriedades de emissao do diodo laser. Dois tipos de realimentacao otica sao tipicamente usados: realimentacao paralela e ortogonal. No caso em que a realimentacao paralela e utilizada, ha usualmente uma variacao da potencia emitida pelo laser. Em contrapartida, quando a realimentacao ortogonal e utilizada, ou seja, quando a luz reinjetada no diodo tem polarizacao ortogonal aquela de emissao, a potencia emitida permanece inalterada e ocorre modificacao exclusivamente na frequencia emitida. O grupo de Fisica Atomica e Lasers mostrou que usando realimentacao ortogonal filtrada espectralmente por um vapor atomico e possivel reduzir a largura de linha do laser de diodo e obter biestabilidade em frequencia para a emissao laser. Os resultados citados acima nao apresentam comportamento dinâmico. A fim de observar comportamento dinâmico em frequencia, como oscilacoes e caos, devemos aumentar a dimensionalidade do sistema. Para aumentar a dimensionalidade do sistema montamos um experimento com dois lasers acoplados atraves de injecao mutua com polarizacao ortogonal. Os feixes dos dois lasers sao acoplados em uma celula de vapor atomico em uma configuracao tipo absorcao saturada. Mostramos que com esta configuracao e possivel observar oscilacoes exclusivamente na frequenciados lasers. Afim de tentar entender a origem destas oscilacoes, analisamos como a transmissao do filtro espectral, a ser injetada no laser oposto, depende das frequencias dos dois lasers e qual as consequencias na variacao de frequencia dos lasers induzida pela realimentacao.
Interacoes dos atomos com superficies modificam os graus de liberdade
internos e externos desses atomos quando proximos a elas. A interacao dominante
de longo alcance (ate a ordem do comprimento de onda das transicoes atomicas) e a
interacao de van derWaals, geralmente atrativa. Nesta tese e abordado o coeficiente
C3, caracteristico dessa interacao e dependente da superficie e temperatura, determinado
atraves do uso de uma tecnica espectroscopica (Reflexao Seletiva). Trata-se
tambem da transferencia de excitacao de longo alcance (efeito Forster) do atomo
para a superficie. A curtas distâncias (dimensoes atomicas), a interacao torna-se
repulsiva, devido a sobreposicao dos orbitais eletronicos do atomo incidente e dos
constituintes da superficie. A soma das contribuicoes de curto e de longo alcance
resulta em um poco de potencial com niveis discretos de energia que sao simulados
em uma transferencia otica para esses estados ligados.
As fontes de radiacao utilizadas nas experiencias da primeira parte desta
tese sao lasers de diodo ressonantes, cujas caracteristicas espectrais precisam ser
modificadas no laboratorio para eles se tornarem ferramentas adequadas para a realizacao
de tais experiencias de espectroscopia de alta resolucao. A Parte II da
tese trata de diodos lasers, iniciando com a descricao de tecnicas de estabilizacao
e chegando a uma nova tecnica desenvolvida no laboratorio durante este trabalho
de doutorado, onde a frequencia do laser e controlada atraves de um retorno otico
com polarizacao ortogonal no diodo acoplado a transicao atomica. Outros efeitos
relacionados a essa tecnica de estabilizacao, como o fenomeno de bi-estabilidade,
sao descritos e interpretados no ultimo capitulo desta tese.
Neste trabalho apresentamos um estudo da geração de luz no azul, em vapor de rubídio, devido à ação combinada de um trem de pulsos ultracurtos (fs) e um laser contínuo (diodo). Os dois feixes com polarizações paralelas e lineares, operando em 780 nm (diodo) e 776 nm (fs), são focalizados no centro da célula de Rb, e são responsáveis por cada etapa da transição de dois fótons 5S1/2 - 5P3/2 - 5D. Na configuração de feixes co-propagantes, uma coerência entre as transições 5S1/2 - 5P3/2 - 5D - 6P é induzida e, na condição de casamento de fase, um feixe azul, coerente, é gerado em 420 nm, através de um processo de mistura de quarto ondas. Medidas do espectro de excitação em função da frequência do laseres de diodo, para diferentes temperaturas da amostra e intensidades dos laseres incidentes, indicam uma forte competição entre os efeitos de saturação, ganho e absorção. Estudos de polarização e uma comparação com os recentes resultados de fluorescência permitem caracterizar para que parâmetros o mecanismo de mistura de ondas é responsável pelo sinal observado. Utilizando um laser de femtosegundos com uma taxa de repetição da ordem de 76 MHz, é possível observar, dentro do perfil Doppler, a contribuição dos diferentes modos do pente de frequência na geração do feixe coerente.
Quando incide-se uma radiação em um vapor atômico, esta pode sofrer processos de\nabsorção e de emissão várias vezes antes que os fótons saiam do volume da célula que\ncontém o vapor. Em consequência destes diversos espalhamentos, que ocorrem no interior\nda célula, o prol espectral da radiação incidente sofre uma evolução, o qual é regido\npelos mecanismos de redistribuição em frequências. Existem dois tipos de redistribuição\nem frequências, a Redistribuição Parcial em Frequências (PFR) e a Redistribuição Completa\nem Frequências (CFR). Quando existe correlação entre a frequência de emissão e\nda absorção, dizemos que ocorreu uma PFR. Caso contrário, quando não há quaisquer\ncorrelação entre as frequências absorvidas e emitidas, dizemos que ocorreu CFR. Esta\nredistribuição em frequências tem sua origem na inomogeneidade dos perfis espectrais da\nradiação incidente e da resposta do vapor ressonante. Pode-se destacar, também, que\nesta inomogeneidade determina a distribuição dos comprimentos de passos dos fótons no\nvapor atômico. Os fótons que propagam-se neste meio atômico executam um passeio\naleatório entre sucessivos processos de absorção e emissão, cujo comprimentos dos passos\nr é descrito por uma distribuição de probabilidade de dita "cauda longa". Contudo, o\ncomportamento superdifusivo destes fótons é caracterizado por um comprimento de passo\núnico, decaindo assintoticamente como uma lei de potência P(r) r com < 3. Neste\ntrabalho estamos estudando, de uma parte, a redistribuição em frequências em duas etapas,\nsendo a primeira para diversas dessintonizações da radiação em relação ao centro de\nabsorção, mantendo-se fixa a densidade do vapor e, em uma segunda etapa, deixamos fixa a\ndessintonização da radiação, variando-se a densidade atômica. Em nosso modelo numérico estudamos átomos de rubídio, considerando sua estrutura eletrônica oticamente ativa com\napenas dois níveis de energia e excitado na frequência de sua linha D2. Para a segunda\nparte deste trabalho analisamos, de forma numérica, o expoente da lei de potência para\na distribuição de probabilidade dos comprimentos de passos individuais dos fótons em\num vapor atômico para espectros de absorção e emissão modificados. Para a última parte\ndeste trabalho, desenvolveu-se um modelo experimental para analisar a redistribuição em\nfrequências, onde os fótons emitidos que saem do volume da célula são coletados em certo\nvolume sólido por uma lente de alguns centímetros, direcionados através de uma fibra para\nanálise por um Fabry-Pérot. Além disso, foi desenvolvido uma técnica experimental para\ngerar a distribuição de probabilidade de passos dos fótons onde modificamos os espectros\nda radiação incidente ou de absorção. No caso da radiação incidente, esta é guiada por\numa fibra para uma segunda célula, onde uma câmera CCD, de sensibilidade elevada,\npermite medir o comprimento de passos individuais dos fótons.
Lasers de fentosegundos (fs) com alta taxa de repetição, travamento de modos e estabilidade na fase, produzem um padrão de frequência composto por uma grande quantidade de modos estreitos, conhecido como pente de frequências. A interação de um sistema de dois níveis com alargamento Doppler com um trem de pulsos, para o caso em que os tempos de vida atômicos são maiores do que o período de repetição do laser, leva a acumulação na população e na coerência. Para essa condição, os átomos interagem com todos os modos de um pente de frequências, e não com o espectro de um único pulso. Nesse trabalho, usamos a técnica do acoplamento de dois feixes ( two-beam coupling ) para investigar a acumulação coerente em átomos de rubídio. Para o feixe pulsado, utilizamos um laser de Titânio-safira com pulsos da ordem de 200 fs, taxa de repetição de 76 MHz e comprimento de onda centrado em 780 nm, correspondendo à energia de excitação da transição 5S1=2 ��5P3=2 do rubídio. Para o feixe contínuo, usamos um laser de diodo sintonizável em 780 nm, com largura de linha da ordem de 1 MHz. Nós detectamos a variação na energia do laser contínuo devido à sua interação com o laser de fentosegundos, usando um chopper no feixe de fs e um amplificador lock-in. Os resultados são obtidos como função da frequência do feixe contínuo para diferentes intensidades e densidades atômicas. Na temperatura ambiente e com o feixe contínuo fraco, nós claramente observamos o pente de frequências impresso no perfil Doppler dos átomos de Rb, em concordância com resultados recentes. Para altas densidades atômicas, a forte absorção do feixe contínuo nas frequências de ressonância gera duas regiões espectrais com comportamentos diferentes em relação à absorção e amplificação. Simulações numéricas das equações de Bloch, para um sistema atômico de quatro níveis, levando em conta a interação com ambos os feixes em todas as ordens dos campos, são apresentadas. Nós discutimos os resultados como uma consequência do laser de diodo interagir preferencialmente com transições abertas ou cíclicas, e obtemos uma boa concordância entre as simulações e o experimento quando a propagação do laser de diodo pelo meio também é considerada
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.
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.