A emissão de luz tipo laser a partir de meios altamente espalhadores com ganho\ncom realimentação incoerente é a abordagem desta tese. Estes meios são altamente\ndesordenados e divergem do conceito tradicional do laser convencional, pois eles podem\nemitir luz muito intensa e monocromática sem a necessidade de uma cavidade.\nAo longo dessa tese, detalhamos diversos estudos experimentais onde temos usado\ndiversos corantes lasers da família das rodaminas em solução, às soluções temos\nadicionado nanopartículas de TiO2, tais nanopartículas realizam o papel de meio\nespalhador. O regime de espalhamento nesse sistema é difusivo pelo que a probabilidade\ndo fóton confinado retornar ao ponto inicial de incidência é pouco provável, por tanto\nqualquer efeito de interferência das ondas associadas aos fótons podem ser\nnegligenciadas.\nNo capítulo 1 é feita uma apresentação rápida dos conceitos fundamentais sobre\nlasers e detalhando a física dos lasers de corante, logo falamos sobre o processo de\nespalhamento múltiplo de fótons.\nIniciamos o capítulo 2 fazendo uma revisão histórica do laser aleatório com\nrealimentação incoerente e discutimos alguns mecanismos que podem estar envolvidos no\nprocesso de geração de luz com características laser.\nNo capítulo 4 apresentamos resultados de um estudo meticuloso sobre o limiar em\nlasers aleatórios considerando a influência tanto da densidade de espalhadores como da\nconcentração de corante O capítulo 5 é dedicado ao estudo da influencia da agregação molecular e da\nemissão bicromática nas propriedades da emissão de um laser aleatório quando a\nconcentração do meio de ganho é relativamente alta.\nNo capítulo 6 apresentamos um novo método baseado na emissão de sistemas\nlaser aleatório para determinar a energia de ligação entre moléculas individuais que se\njuntaram para formar agregados. Essa agregação sempre acontece entre as de moléculas\nde corante em solução, formando assim dímeros, trímeros, etc. Em primeira aproximação\npodemos falar de dimerização que é a formação de unicamente dímeros no processo\nglobal da agregação. Para descrever teoricamente essa nova técnica, utilizamos um\nmodelo excitônico baseado na teoria quântica que explica como devido á dimerização a\nbanda de absorção do monômero se desdobra em duas novas bandas: uma a altas energias\n(banda H) e outra a baixas energias (banda J). Os nossos resultados concordam muito bem\ncom aqueles obtidos através de técnicas de absorção que são um tanto mais complicadas\nde se realizar experimentalmente. Usando nossa técnica determinamos a energia de\nligação entre dímeros formados em diversos tipos de corantes da família das rodaminas.\nFinalmente, no capítulo 7 mostramos que possível se obter um laser aleatório com\nalta eficiência a partir de soluções aquosas contendo rodamina 6G. Nós adicionamos\nDodecil Sulfato de Sódio (SDS, sigla em inglês), um surfactante aniônico, a uma solução de\nrodamina 6G (catiônica). Ambos os componentes foram preparados em diferentes\nconcentrações. A ação do SDS sobre a rodamina 6G é inibir a agregação molecular e\nreorientar as moléculas agregadas remanescentes na solução a fim de formar agregados\nfluorescentes. Mostramos também que a eficiência deste tipo de sistemas atinge seu\nmáximo para concentrações pouco acima da concentração micelar critica do SDS.
A emissão de luz tipo laser a partir de meios altamente espalhadores com ganho\ncom realimentação incoerente é a abordagem desta tese. Estes meios são altamente\ndesordenados e divergem do conceito tradicional do laser convencional, pois eles podem\nemitir luz muito intensa e monocromática sem a necessidade de uma cavidade.\nAo longo dessa tese, detalhamos diversos estudos experimentais onde temos usado\ndiversos corantes lasers da família das rodaminas em solução, às soluções temos\nadicionado nanopartículas de TiO2, tais nanopartículas realizam o papel de meio\nespalhador. O regime de espalhamento nesse sistema é difusivo pelo que a probabilidade\ndo fóton confinado retornar ao ponto inicial de incidência é pouco provável, por tanto\nqualquer efeito de interferência das ondas associadas aos fótons podem ser\nnegligenciadas.\nNo capítulo 1 é feita uma apresentação rápida dos conceitos fundamentais sobre\nlasers e detalhando a física dos lasers de corante, logo falamos sobre o processo de\nespalhamento múltiplo de fótons.\nIniciamos o capítulo 2 fazendo uma revisão histórica do laser aleatório com\nrealimentação incoerente e discutimos alguns mecanismos que podem estar envolvidos no\nprocesso de geração de luz com características laser.\nNo capítulo 4 apresentamos resultados de um estudo meticuloso sobre o limiar em\nlasers aleatórios considerando a influência tanto da densidade de espalhadores como da\nconcentração de corante O capítulo 5 é dedicado ao estudo da influencia da agregação molecular e da\nemissão bicromática nas propriedades da emissão de um laser aleatório quando a\nconcentração do meio de ganho é relativamente alta.\nNo capítulo 6 apresentamos um novo método baseado na emissão de sistemas\nlaser aleatório para determinar a energia de ligação entre moléculas individuais que se\njuntaram para formar agregados. Essa agregação sempre acontece entre as de moléculas\nde corante em solução, formando assim dímeros, trímeros, etc. Em primeira aproximação\npodemos falar de dimerização que é a formação de unicamente dímeros no processo\nglobal da agregação. Para descrever teoricamente essa nova técnica, utilizamos um\nmodelo excitônico baseado na teoria quântica que explica como devido á dimerização a\nbanda de absorção do monômero se desdobra em duas novas bandas: uma a altas energias\n(banda H) e outra a baixas energias (banda J). Os nossos resultados concordam muito bem\ncom aqueles obtidos através de técnicas de absorção que são um tanto mais complicadas\nde se realizar experimentalmente. Usando nossa técnica determinamos a energia de\nligação entre dímeros formados em diversos tipos de corantes da família das rodaminas.\nFinalmente, no capítulo 7 mostramos que possível se obter um laser aleatório com\nalta eficiência a partir de soluções aquosas contendo rodamina 6G. Nós adicionamos\nDodecil Sulfato de Sódio (SDS, sigla em inglês), um surfactante aniônico, a uma solução de\nrodamina 6G (catiônica). Ambos os componentes foram preparados em diferentes\nconcentrações. A ação do SDS sobre a rodamina 6G é inibir a agregação molecular e\nreorientar as moléculas agregadas remanescentes na solução a fim de formar agregados\nfluorescentes. Mostramos também que a eficiência deste tipo de sistemas atinge seu\nmáximo para concentrações pouco acima da concentração micelar critica do SDS.
Neste trabalho, utilizamos uma memoria quântica formada por uma nuvem de atomos de 3 niveis para estudar a dinâmica de emissao de luz em estado de Fock contendo uma ou duas excitacoes, explicitando o carater superradiante nestes processos. Um feixe laser de escrita pode induzir transicoes nesses atomos deixando uma ou duas excitacoes coerentemente distribuidas na nuvem, armazenando informacao. Posteriormente, um feixe laser de leitura retira essas excitacoes na forma de fotons que sao emitidos de forma superradiante e num modo que depende da informacao armazenada. Com este tipo de arranjo, e possivel atestar o carater quântico da luz e garantir que uma formulacao semi-classica e inadequada para descrever o fenomeno. Como elemento principal, desenvolvemos uma teoria analitica para a interacao dos atomos com a luz, obtendo o perfil espaco-temporal da emissao e demonstrando que os fotons gerados na leitura se acoplam a um modo do campo conjugado ao utilizado durante a escrita para preparar o estado da nuvem. De acordo com a teoria, o pacote de onda de dois fotons e consistente com o perfil temporal obtido na emissao de fotons independentes e identicos ao obtido na emissao superradiante de um unico foton. Estas conclusoes sao comparadas com experimentos de armazenamento de informacao quântica por nuvens de atomos frios realizados pelo grupo de otica quântica da UFPE, em que podemos constatar uma boa concordância entre os resultados experimentais e as previsoes teoricas. Esses estudos permitiram a caracterizacao, pela primeira vez, da emissao superradiante de dois fotons por um conjunto de atomos.
Padrões de speckles são distribuições de intensidade de luz, formados a partir da interação entre uma fonte de luz coerente e uma superfície (ou meio) irregular, que resulta em uma distribuição de vetores de onda com fases aleatórias. Desta forma, como a aleatoriedade tem um papel relevante na formação de padrões de speckles, sua caracterização, bem como a análise de diversos fenômenos ópticos excitados a partir deles, são estudados fazendo uso de ferramentas de análises estatísticas. Entre as ferramentas mais importantes, as funções de correlação de intensidade e a distribuição de probabilidade de intensidade fornecem informações indiretas sobre a coerência da fonte de excitação, o grau de espalhamento (ou aleatoriedade) do meio rugoso, além das propriedades ópticas do meio onde a radiação se propaga. Nesta dissertação são estudadas as mudanças que a estatística dos padrões de speckles sofrem quando se propagam em meios não lineares autodesfocalizadores, com a influência de diversos processos de absorção não linear. Para isto, foi utilizado o corante LDS722 diluído em etanol, como meio não linear, que, ao ser excitado com diferentes intensidades, apresenta os efeitos de absorção saturada de 1 fóton; absorção de 2 fótons; e absorção saturada de 2 fótons. Esses diferentes efeitos foram caracterizados através da técnica de Varredura Z. Para que a propagação não linear dos padrões de speckles seja submetido a influência de um (ou mais de um) efeito dissipativo (simultâneamente) foram gerados três padrões diferentes, com envoltórias de intensidade: (i) Gaussiano, (ii) super-Gaussiano e (iii) top-hat. Desta forma, observou-se que durante a propagação, se o padrão de speckles é afetado apenas por um único processo de absorção não linear, com envoltória de intensidade top-hat, suas propriedades estatísticas apresentam comportamentos diferentes aos padrões afetados por mais de um efeito de absorção não linear em simultâneo, com envoltórias de intensidade Gaussiano e super-Gaussiano. Os estudos realizados nesta dissertação apresentam, pela primeira vez na literatura, resultados sobre a influência dos diversos efeitos de absorção não linear sobre a propagação de padrões de speckles. Além disso, ao monitorar as mudanças nas propriedades estatísticas que os padrões de speckles sofrem ao longo da sua propagação, foi possível propor uma nova metodologia para analisar o efeito de autodeflexão induzido pela modulação do índice de refração não linear. Desta forma propomos o uso de padrões de speckles para a caracterização da resposta óptica não linear de diversos materiais.
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.
A presente tese e dedicada a utilizacao de conhecidos sistemas quânticos em aplicacoes de interesse em optica e informacao quântica. Motivados pelos recentes avancos experimentais em sistemas formados por ions aprisionados interagindo com lasers e na eletrodinâmica quântica de cavidades, nos focamos grande parte de nossas propostas nestes sistemas. Mais especificamente, nos estudamos a interacao de ions e campos quantizados na chamada eletrodinâmica quântica de cavidades com ions aprisionados. Neste contexto, iniciamos nossos trabalhos com uma proposta de geracao de superposicoes mesoscopicas no movimento do ion. Uma vez que tais superposicoes sao muito sensiveis a decoerencia, incluimos perdas na cavidade para tratar uma situacao mais realista. Atraves da observacao de quantum jumps, ou foton-contagens fora da cavidade, mostramos um esquema de geracao de estados com caracteristicas quânticas muito similares aos encontrados no caso da cavidade ideal, sem perdas. Neste aspecto, encontramos um modo de usar a dissipacao a nosso favor, fato de grande interesse experimental devido as imperfeicoes dos espelhos reais. Apresentamos tambem uma proposta de implementacao de uma interacao do tipo Kerr em ions como uma alternativa ao uso de cristais nao-lineares que apresentam baixissima eficiencia para esse tipo de efeito. Essa proposta abre novas possibilidades para o uso de ions em medidas nao demolidoras e computacao quântica. Nossos estudos na area de eletrodinâmica quântica com ions aprisionados terminam com a analise dos efeitos do movimento do ion na dinâmica das transicoes multi-fotonicas. Esse e um estudo mais fundamental e esta relacionado com o entendimento da interacao da radiacao com a materia. Na ultima parte desta tese sao apresentados resultados sobre o uso de sistemas de muitos corpos para a distribuicao de informacao quântica. O objetivo de se estudar estes sistemas mais complexos e a busca de implementacao de protocolos quânticos em larga escala. Neste sentido, poderiamos pensar numa cadeia de osciladores harmonicos acoplados como ocorre em sistemas tipicos da fisica da materia condensada. Em particular, nos estudamos como aumentar a eficiencia na transmissao de emaranhamento nestas cadeias. Propusemos um esquema que funciona como um tipo de quantum data bus, ou onibus quântico para transportar e distribuir emaranhamento com alta eficiencia
Abstract
A interação entre luz e matéria em sistemas quânticos abertos atraiu uma atenção significativa nas últimas décadas devido à sua importância no desenvolvimento de tecnologias quânticas emergentes, como a computação quântica e as comunicações ópticas. Nesse contexto, sistemas de microcavidades acoplados a pontos quânticos e nanostruturas têm sido objeto de extensos estudos teóricos e experimentais devido à sua capacidade de controlar e manipular fenômenos quânticos fundamentais. Este trabalho reúne três estudos de pesquisa que, embora abordem diferentes aspectos das interações luz-matéria, compartilham um interesse comum em explorar os efeitos do bombeio incoerente e dos processos de decoerência nas propriedades ópticas de sistemas quânticos abertos. O primeiro estudo foca no efeito do bombeio incoerente de excitons sobre a retificação óptica de uma nanostrutura que interage com um campo óptico clássico monocromático. Usando uma equação mestra de Born-Markov na forma de Lindblad, a emissão espontânea, o desfasamento e o bombeio incoerente são incluídos na análise. Uma expressão analítica é derivada para descrever a retificação óptica em função da taxa de bombeio incoerente, mostrando como o sistema transita entre os regimes de bombeio fraco e forte. O segundo trabalho examina o comportamento do espectro de fotoluminescência de um ponto quântico dentro de uma microcavidade semicondutora, sob a influência de um campo magnético externo. O sistema é modelado numericamente usando uma equação mestra na forma de Lindblad para capturar os efeitos da emissão espontânea, das perdas através dos espelhos da cavidade e do defasamento. Este trabalho revela a transição do regime de acoplamento forte para o regime da emissão desacoplada à medida que o campo magnético aumenta, com a linha σ− no espectro desacoplando-se mais rapidamente. O terceiro estudo investiga teoricamente os espectros de potência em um sistema de microcavidade-ponto quântico sob bombeio incoerente de fótons e excitons. Dois modelos diferentes são examinados, relacionando as taxas de perdas da cavidade e o bombeio, e são analisadas as transições entre os regimes de acoplamento forte e fraco em diferentes intensidades de bombeio. Apesar das diferenças entre os modelos, ambos preveem uma sequência de transições entre acoplamento fraco e forte à medida que o bombeio aumenta, um fenômeno que ainda não foi observado experimentalmente. Embora esses três trabalhos abordem diferentes aspectos e sistemas quânticos, todos compartilham o objetivo comum de entender como o bombeio incoerente e os processos de decoerência afetam as propriedades ópticas e os regimes de acoplamento de sistemas quânticos abertos. Esses estudos não apenas fornecem novos insights teóricos, mas também oferecem previsões que podem orientar futuros experimentos no campo da óptica quântica e das nanocavidades.
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.