Moléculas diatômicas polares apresentam um amplo campo de possíveis aplicações em pesquisa básica assim como em tecnológicas, as quais estão associadas as interações dipolares de longo alcance e sua estrutura interna. Contudo, a produção de amostras moleculares densas e frias é ainda muito complexa devido à essa mesma estrutura interna, requerendo várias fontes de laser. O desenvolvimento de técnicas de resfriamento, aplicáveis para qualquer molécula é fundamental para o sucesso dessa área. Neste trabalho, estudamos teoricamente e experimentalmente o resfriamento de moléculas térmicas de 85Rb2 utilizando fontes laser banda largas. Em particular, estudamos as transições entre os potenciais fundamental X 1Σg+ e o excitado B 1 Πu, utilizando lasers de diodo multimodos banda larga, cujos espectros podiam ser manipulados utilizando micro-espelhos. O espectro molecular foi obtido através da fotoionização ressonante das moléculas usando lasers pulsados. Os resultados obtidos sugerem que a manipulação de estados moleculares é viável através de bombeamento ótico.
Moléculas diatômicas polares apresentam um amplo campo de possíveis aplicações em pesquisa básica assim como em tecnológicas, as quais estão associadas as interações dipolares de longo alcance e sua estrutura interna. Contudo, a produção de amostras moleculares densas e frias é ainda muito complexa devido à essa mesma estrutura interna, requerendo várias fontes de laser. O desenvolvimento de técnicas de resfriamento, aplicáveis para qualquer molécula é fundamental para o sucesso dessa área. Neste trabalho, estudamos teoricamente e experimentalmente o resfriamento de moléculas térmicas de 85Rb2 utilizando fontes laser banda largas. Em particular, estudamos as transições entre os potenciais fundamental X 1Σg+ e o excitado B 1 Πu, utilizando lasers de diodo multimodos banda larga, cujos espectros podiam ser manipulados utilizando micro-espelhos. O espectro molecular foi obtido através da fotoionização ressonante das moléculas usando lasers pulsados. Os resultados obtidos sugerem que a manipulação de estados moleculares é viável através de bombeamento ótico.
O desenvolvimento de técnicas para resfriar e aprisionar moléculas diatômicas polares é motivado pelo amplo campo de suas potenciais aplicações, que estão associadas as interações dipolares de longo alcance e a complexa estrutura interna das moléculas. Embora tais aplicações sejam muito empolgantes, a produção de amostra densa de moléculas frias ainda é muito desafiadora. A principal dificuldade é que o resfriamento a laser não pode ser aplicado diretamente à qualquer molécula porque moléculas não possuem transições ópticas perfeitamente fechadas, como em sistemas atômicos. Neste trabalho, desenvolvemos uma técnica para carregar continuamente moléculas de 85Rb2 ultrafrias no estado vibracional fundamental (vx = 0) em uma armadilha óptica de dipolo cruzada a partir de átomos em uma armadilha magneto-óptica usando um feixe de luz de alta potência. Este feixe é composto por uma fonte de luz coerente, responsável pela fotoassociação de curto-alcance dos átomos de rubídio, e uma fonte de luz banda larga incoerente que transfere as moléculas em diferentes níveis vibracionais (vx > 0) do estado eletrônico fundamental X1Σg+ ao nível fundamental vx = 0, através de bombeamento óptico. As moléculas puderam ser observadas através da técnica de REMPI. O tempo de vida de aprisionamento das moléculas foi medido e está limitado pelo espalhamento de fótons não ressonantes do feixe de luz da armadilha óptica de dipolo. A técnica desenvolvida pode ser aplicada para formar e aprisionar moléculas heteronucleares no estado vibracional fundamental absoluto a partir de duas armadilhas magneto-ópticas atômicas sobrepostas.
Resfriamento a laser não pode ser facilmente aplicado em moléculas porque elas geralmente não possuem transições ópticas fechadas, como em sistemas atômicos. Sua estrutura interna complexa, que inclui vibração e rotação, impede que técnicas de resfriamento e desaceleração bem estabelecidas em física atômica, sejam aplicadas em sistemas moleculares, exceto por uma classe muito restrita de moléculas. Nesta dissertação, exploram-se técnicas de bombeamento rovibracional aplicadas ao resfriamento de moléculas, utilizando a molécula de rubídio (Rb2) como exemplo. Para isso, são propostos e caracterizados dois sistemas laser de banda larga com alto controle espectral, para a excitação seletiva de transições vibracionais e rotacionais permitidas. Ambos os sistemas se baseiam em sistemas ópticos que empregam pelo menos um elemento dispersivo para separar espacialmente os componentes espectrais da luz no plano de Fourier, onde um dispositivo de microespelhos digitais (DMD) atua como filtro espectral ativo, permitindo a modelagem precisa do espectro de bombeamento. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade dos sistemas propostos para a manipulação seletiva de estados rovibracionais, evidenciando sua aplicabilidade em esquemas de bombeamento óptico voltados ao resfriamento de moléculas.
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
Neste trabalho apresentamos a construção de um novo sistema experimental para aprisionamento de átomos e moléculas. Trata-se de uma armadilha de dipolo cruzada totalmente óptica, formada por um laser de fibra com 40 W de potência com comprimento de onda em 1064 nm. Nesse sistema foi demonstrado o aprisionamento de átomos Rb e K e moléculas Rb2. Realizamos dois experimentos distintos neste se novo sistema: No primeiro, estudamos a evolução temporal de amostras dos isótopos 85Rb e 87Rb na armadilha de dipolo cruzada. Pudemos medir pela primeira vez o processo de mudança de estrutura hiperfina em átomos sem a presença de luz ressonante, e observamos a fotoassociação dos átomos pelo laser da armadilha de dipolo. E no segundo, desenvolvemos uma técnica que permite o estudo rápido e direto do decaimento no número de moléculas de Rb2 na armadilha. Com essa técnica, observamos também o comportamento dessas moléculas na presença de átomos preparados em um determinado estado hiperfino do estado fundamental. Estes resultados juntamente com um desenvolvimento teórico, nos sugerem novas perspectivas rumo a produção de um sistema que possa produzir e aprisionar moléculas KRb no estado fundamental 1Σ+ (v = 0).
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.
Este trabalho apresenta os resultados de um estudo experimental da geração de fluorescência na região azul do espectro (421 nm), quando um vapor de rubídio contido em uma célula aquecida interage com um feixe de laser de diodo contínuo (na transição 5S1/2 -> 5P3/2) e um feixe de laser de pulsos ultracurtos de Ti:safira (na transição 5P3/2 _> 5D5/2). Os feixes de laser são focalizados copropagantes no centro da célula óptica de rubídio, tendo polarizações perpendiculares. Efeitos de acumulação coerente são esperados no sistema, uma vez que os tempos de vida dos estados excitados são muito maiores do que o intervalo temporal entre os pulsos do laser de Ti:safira. Ambos os lasers operam com comprimentos de ondas em torno de 780 nm, por em o laser pulsado por ter uma largura de banda elevada consegue fazer uma transição de dois fótons não ressonante nos comprimentos de onda em 780 nm e 776 nm. Os átomos excitados podem decair para o estado fundamental (5S1/2) através do estado intermediário 6P3/2, emitindo a fluorescência no azul em 421 nm. Estudamos a resposta desta fluorescência quando variamos alguns parâmetros como: a frequência e a intensidade do laser de diodo, a densidade atômica da célula, e a influência do bombeio óptico do laser de diodo no sinal.