Estudo das flutuações de intensidade e do efeito do índice de refração em dois sinais simétricos de mistura de quatro ondas gerados em vapor de rubídio
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.
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.
Neste trabalho, aplicamos a técnica de mistura de quatro ondas para estudar a resposta nãolinear de uma amostra constituída de átomos de Rb, em vapor, com excitações ressonantes por dois e três fótons. As ressonâncias por dois fótons envolvem estados altamente excitados, estados de Rydberg, que podem ser acessados seletivamente, possibilitando uma comparação direta da resposta devido aos diferentes estados nd e (n+2)s, com n variando entre 14 e 20. Neste sistema, investigamos as propriedades do sinal gerado coerentemente em função da intensidade dos feixes incidentes e da densidade atômica. Duas configurações foram estudadas: i) colinear, onde os feixes de excitação incidem na amostra em uma mesma direção, e ii) de feixes cruzados, onde introduzimos um ângulo de cruzamento, q , entre os feixes incidentes. A variação da intensidade do sinal gerado com os números quânticos n e l permite uma clara distinção dos vários caminhos de excitação, incluindo as diferentes contribuições dos níveis de estrutura-fina dos estados 5p e 6p. Na configuração colinear e em altas densidades atômicas dois efeitos são analisados: i) a supressão do sinal gerado na posição da ressonância de três fótons, devido a efeitos de interferência destrutiva entre os campos incidentes e os campos gerados na amostra; e ii) um alargamento no perfil das linhas espectrais correspondentes às ressonâncias de dois fótons, indicando uma contribuição de mecanismos de auto-alargamento. Na configuração de feixes cruzados, investigamos o efeito cooperativo de deslocamento em frequência relacionado à ressonância de três fótons, o qual apresenta uma dependência tanto com a densidade atômica como com a interação com o próprio campo gerado. Mostramos que esses resultados, incluindo os efeitos de deslocamento em frequência e de casamento de fase, podem ser bem descritos por um modelo teórico simples baseado nas equações de Maxwell-Bloch semiclassicas, com um tratamento perturbativo nos campos incidentes. Em particular, obtemos uma estimativa para a seção de choque de auto-alargamento associada às coerências induzidas por dois fótons, bem como, uma boa descrição da dependência com q do deslocamento em frequência cooperativo. A etapa final deste trabalho envolve a montagem e caracterização de uma armadilha magnetoótica de Rb, visando o estudo da interação entre estados excitados a partir da coerência induzida por processos não-lineares.
O estudo de interações não lineares da luz com vapores atômicos tem sido fundamen- tal para a compreensão de vários problemas. Em particular, sabe-se que diferentes processos podem acontecer simultaneamente e interferir entre si. Neste trabalho investigamos a de- pendência com a frequência de dois processos: mistura de quatro ondas degenerada e rotação da polarização devido ao efeito Faraday. Usamos um único laser cw para gerar dois feixes de entrada com polarizações lineares e ortogonais, designadas por seus vetores de onda ka e ⃗kb. Estes dois feixes interagem com a amostra, gerando dois sinais de mistura de quatro ondas, nas direções 2 ⃗ka − ⃗kb e 2 ⃗kb − ⃗ka. Este é um processo degenerado com os feixes de entrada e saída sintonizados na linha D2, na transição 5S1/2 → 5P3/2, do rubídio. Nós focamos nossos estudos em um dos sinais, 2 ⃗kb − ⃗ka, e analisamos a rotação da polarização do feixe transmitido, ⃗kb, após este passar pela amostra. As medidas foram feitas em três temperaturas diferentes e com razões de intensidades entre os feixes de entrada variadas. Para altas temperaturas e baixa intensidade do feixe de prova, Ia, observamos um grande efeito de rotação da polarização no feixe de bombeio, Ib, enquanto o sinal de mistura de quatro ondas apresenta um espectro do tipo Doppler. Quando a intensidade do feixe de prova cresce, alcançando a mesma intensidade do feixe de bombeio, uma estrutura de picos aparece no espectro de mistura de quatro onda, enquanto a rotação da polarização do feixe b parece diminuir na presença do feixe de prova.
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.
A interação entre a luz e a matéria pode dar origem a interessantes fenômenos não lineares. Entre eles, o processo da mistura de quatro ondas (MQO), que corresponde à geração de um quarto campo de luz quando três campos de luz incidem em um meio não linear, é um dos mais estudados na óptica não linear. Neste trabalho investigamos, experimental e teoricamente, o processo da MQO em uma amostra de átomos de césio esfriados e aprisionados em uma Armadilha Magneto-Óptica (AMO). Para realizar a experiência, preparamos uma nuvem densa de átomos no nível hiperfino F = 3 do estado fundamental do césio. Usamos a configuração de conjugação de fase óptica para os feixes da mistura, provenientes de um mesmo laser de diodo de cavidade externa (LDCE) e identificados por F (Foward), P (Probe) e B (Backward). Os feixes F e P têm polarizações circulares opostas e frequências iguais, que podem ser varridas simultaneamente usando um par de Moduladores Acusto-Ópticos (MAO). Estes dois feixes incidem no meio formando um pequeno ângulo de 4o entre eles. Enquanto que o feixe B com polarização oposta à do feixe F e contrapropagante a ele, é sintonizado na transição F = 3 ↔ F = 2 dentro da linha D2 do césio. O sinal gerado C é monitorado em função da frequência comum de F e P, e detetado na direção oposta à do feixe P. Nestas condições, a forma de linha do sinal obtido da MQO apresenta ressonâncias largas e estreitas, evidenciando a contribuição da coerência Zeeman induzida no sistema. Em particular, medimos a dependência do sinal C como função da intensidade do feixe de bombeio F. Realizamos também uma análise teórica do problema, modelando nosso sistema atômico como um ensemble de átomos de três níveis efetuando um cálculo perturbativo para resolver as equações de matriz densidade do sistema. Finalmente mostramos que este modelo teórico descreve qualitativamente bem as observações experimentais
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 estudamos, experimental e teoricamente, as flutuações de campos eletromagnéticos após a interação com sistemas atómicos em configuração de dois níveis com degenerescências. Estes sistemas atómicos eram preparados em superposições coerentes de seus estados obtidas através dos fenômenos de Transparência e Absorção Eletromagneticamente Induzidas. O sistema físico foi considerado em dois modelos teóricos semiclássicos distintos: resposta atómica linear e difusão de fase. Estes modelos se baseiam no fato de que lasers de díodo possuem excesso de ruído na fase, que durante o processo de interação coerente com o sistema atómico é transferido ressonantemente para o ruído de intensidade. Em nossa análise, observamos resultados não triviais em relação aos sinais de ruído e correlação entre os campos medidos. Verificamos que, num vapor atómico, a largura Doppler associada à transição tem um papel fundamental na composição elo sinal ele ruído. Observamos que mesmo transições que, a priori, estariam não ressonante podem ter contribuição significativa para o sinal ele ruído. Os modelos teóricos desenvolvidos apresentaram um bom acordo qualitativo com parte dos dados experimentais e se mostraram uma ferramenta útil para a análise da influência dos efeitos coerentes nas flutuações elos campos, quando o laser possui excesso de ruído ele fase.