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 . . . .
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 . . . .
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 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.
La presente investigacion muestra un estudio de las propiedades opticas no lineales y la propagacion de la senal de mezcla de cuatro ondas (MCO) en un sistema molecular considerando efectos de saturacion del haz de prueba a segundo orden. El formalismo de la matriz de densidad fue aplicado al sistema molecular (colorante organico Malaquita Verde) de dos niveles electronicos inmerso en un reservorio termico interactuando con dos campos electromagneticos, de alta y baja intensidad, conocidos como haz de bombeo y haz de prueba, respectivamente. Usando las Ecuaciones Opticas Estocasticas de Bloch (EOEB) calculamos la polarizacion inducida en el sistema y se analizaron las propiedades opticas no lineales y la propagacion de la senal. Se estudiaron los perfiles de absorcion y dispersion asociados a las propiedades opticas no lineales del sistema y finalmente se estudio la propagacion de la senal a traves de perfiles de intensidad en tres diferentes aproximaciones, dos de ellas soluciones analiticas y la otra numerica. Se compararon estos resultados bajo los efectos inducidos por el solvente, concentracion quimica de la solucion, intensidades de los campos y saturacion del haz de bombeo.
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.
En el presente trabajo, las respuestas opticas no lineales de colorantes organicos inmersos en un reservorio termico son analizadas de forma teorica cuando interactuan con una senal de mezcla de cuatro ondas. Las modificaciones inducidas en la susceptibilidad no lineal a tercer orden son analizadas a partir de la ecuacion de Liouville empleando el formalismo de la matriz de densidad. La respuesta del sistema surge de la interaccion dipolar electrica de la molecula de colorante organico con los campos electromagneticos de bombeo y de prueba. Los colorantes organicos son modelados como sistemas cuanticos de dos y tres niveles. Una distribucion de frecuencias naturales con forma lorentziana es utilizada para describir el ensanchamiento inhomogeneo de los estados. Transiciones entre los estados de una misma banda son consideradas en los modelos presentados. Los efectos de la difusion espectral y naturaleza del tercer estado son estudiados con base en los modelos cuanticos planteados. Las respuestas opticas no lineales absortivas y dispersivas son comparadas para los modelos cuanticos considerados en presencia o ausencia de difusion espectral. Los resultados son evaluados mediante parametros caracteristicos de colorantes organicos como la malaquita verde y colorante de cianina para predecir sus respuestas opticas no lineales.
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.