Sistemas atômicos coerentemente preparados podem dar origem a fenômenos interessantes e inesperados como, por exemplo, a transparência eletromagneticamente induzida (EIT). Em tal fenômeno, um meio absorvente pode se tornar transparente mediante uma interação coerente com campos de radiação laser. Este efeito pode ser interpretado como a criação de uma superposição coerente dos níveis atômicos fundamentais que não é acoplada ao estado excitado pelos campos incidentes. Em publicação recente, foi investigado o fenômeno de EIT na presença de um campo magnético dc externo e foi demonstrado que este sistema além de cancelar a absorção do feixe de prova pode também amplificar o feixe de prova incidente levando a um novo mecanismo de ganho. No presente trabalho estendemos a investigação deste mecanismo de ganho explorando o efeito de uma cavidade óptica no aumento do ganho e finalmente alcançando a oscilação laser em tal sistema. O experimento é realizado com átomos frios de césio obtidos a partir de uma armadilha magneto-óptica (MOT). Usamos os subníveis Zeeman da transição cíclica do césio 6S1/2, F = 3 → 6P3/2 , F ′ = 2, que é excitada por dois feixes coerentes, o feixe de controle e o feixe de prova com polarizações circulares e opostas, na presença de um campo magnético dc externo. Este sistema pode produzir ganho óptico de passagem única da ordem de 80-100% para valores moderados do campo magnético e da potência do feixe de controle. Em um primeiro conjunto de medições, foi investigado o aumento do ganho produzido por uma cavidade óptica em anel com diferentes perdas e finesses. Para uma cavidade de baixa finesse com um espelho de refletividade R = 70% medimos a amplificação do feixe de prova para diferentes parâmetros experimentais, e um aumento da ordem de 14 vezes no ganho óptico foi observado. Além disso, atingimos a oscilação laser quando uma cavidade óptica de alta finesse com espelho de refletividade R = 99,9% foi usada. Neste caso, mesmo quando o feixe de prova incidente é bloqueado, a auto-oscilação do sistema é observada quando a cavidade é varrida para sua frequência de ressonância. Estas observações constituem uma demonstração de um novo sistema de laser operando em átomos frios e na dissertação, iremos discutir suas possíveis aplicações.
Sistemas atômicos coerentemente preparados podem dar origem a fenômenos interessantes e inesperados como, por exemplo, a transparência eletromagneticamente induzida (EIT). Em tal fenômeno, um meio absorvente pode se tornar transparente mediante uma interação coerente com campos de radiação laser. Este efeito pode ser interpretado como a criação de uma superposição coerente dos níveis atômicos fundamentais que não é acoplada ao estado excitado pelos campos incidentes. Em publicação recente, foi investigado o fenômeno de EIT na presença de um campo magnético dc externo e foi demonstrado que este sistema além de cancelar a absorção do feixe de prova pode também amplificar o feixe de prova incidente levando a um novo mecanismo de ganho. No presente trabalho estendemos a investigação deste mecanismo de ganho explorando o efeito de uma cavidade óptica no aumento do ganho e finalmente alcançando a oscilação laser em tal sistema. O experimento é realizado com átomos frios de césio obtidos a partir de uma armadilha magneto-óptica (MOT). Usamos os subníveis Zeeman da transição cíclica do césio 6S1/2, F = 3 → 6P3/2 , F ′ = 2, que é excitada por dois feixes coerentes, o feixe de controle e o feixe de prova com polarizações circulares e opostas, na presença de um campo magnético dc externo. Este sistema pode produzir ganho óptico de passagem única da ordem de 80-100% para valores moderados do campo magnético e da potência do feixe de controle. Em um primeiro conjunto de medições, foi investigado o aumento do ganho produzido por uma cavidade óptica em anel com diferentes perdas e finesses. Para uma cavidade de baixa finesse com um espelho de refletividade R = 70% medimos a amplificação do feixe de prova para diferentes parâmetros experimentais, e um aumento da ordem de 14 vezes no ganho óptico foi observado. Além disso, atingimos a oscilação laser quando uma cavidade óptica de alta finesse com espelho de refletividade R = 99,9% foi usada. Neste caso, mesmo quando o feixe de prova incidente é bloqueado, a auto-oscilação do sistema é observada quando a cavidade é varrida para sua frequência de ressonância. Estas observações constituem uma demonstração de um novo sistema de laser operando em átomos frios e na dissertação, iremos discutir suas possíveis aplicações.
Neste trabalho, estudamos os mecanismos de descoerência entre níveis fundamentais degenerados de um sistema atômico. Isso foi possível a partir da investigação de espectros de absorção de um feixe de prova, após atravessar um sistema atômico de três níveis na configuração “Lambda" (Ʌ), na presença de um feixe intenso de controle. O sistema atômico considerado era preparado numa superposição coerente de seus estados fundamentais, o “estado escuro", através de processos de bombeamento óptico, possibilitando a observação de um efeito conhecido na literatura como Transparência Eletromagneticamente Induzida (EIT, Electromagnetically Induced Transparency). O efeito de EIT é verificado quando os dois campos estão na condição de ressonância de dois fótons, levando a uma diminuição na absorção dos feixes pelos átomos. Para os experimentos, utilizamos uma células contendo vapor atômico de césio em temperatura ambiente e sondamos a transição hiperfina F = 3 ↔ F’ = 2 pertencente a sua linha D2. O sistema físico real possui degenerescências, mas pode se comportar como um sistema simples de três níveis quando manipulamos adequadamente as polarizações dos feixes incidentes, que em nosso caso possuíam polarizações circulares opostas. Investigamos o comportamento do sinal de EIT com a intensidade do feixe de controle, com o diâmetro dos feixes e com o ângulo formado entre eles. O modelo teórico desenvolvido, considerando um dos feixes muito mais intenso do que o outro, de forma a nos possibilitar tratar o problema de forma perturbativa, nos levou a uma solução aproximada para a equação da coerência que apresentou um bom acordo, qualitativo e quantitativo, com os resultados experimentais.
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
Neste trabalho estudamos o efeito de um campo magnético oscilante sobre uma transição de dois fótons em átomos de Rubídio, quando excitados por um laser de Titânio-safira de femtosegundos. Os átomos, na forma de vapor, na proporção isotópica natural, estão contidos em uma célula fechada, a qual é aquecida por pequenas bobinas que são alimentadas por uma corrente variável (ac). Com o comprimento de onda central do laser em 778 nm, os átomos são excitados do estado 5S para o estado 5D e depois podem decair para o estado fundamental via o estado 6P, emitindo um feixe em 420 nm co-propagante ao do bombeio. A oscilação da corrente nas bobinas gera um campo magnético variável no tempo cujo efeito sobre os átomos se manifesta em oscilações no sinal analisado em 420 nm. Como os estados envolvidos no processo de excitação, 5S-5P-5D, têm tempo de vida muito maior que a separação temporal entre os pulsos do laser, podemos considerar que os átomos interagem, não com um único pulso, mas com um pente de frequências. Isto nos permite tratar o processo de excitação como sendo realizado por um grande número de lasers contínuos e considerar o efeito Zeeman devido à presença do campo magnético. No regime estacionário, a absorção de dois fótons pode ocorrer através de um processo direto ou em duas etapas. No processo de absorção direto, com dois fótons simultâneos e um nível virtual, a variação na intensidade do sinal na presença do campo magnético é muito pequena, devido ao alargamento Doppler, e não consegue explicar a variação no sinal observada. Já no processo de absorção em duas etapas, que têm três níveis reais, ressonante com o nível intermediário 5P, temos uma condição de dupla ressonância, a qual deixa de ser satisfeita quando o campo magnético muda a energia dos subníveis Zeeman. Embora os átomos apresentem uma distribuição de velocidades descrita por uma função Gaussiana, os resultados experimentais são bem descritos quando consideramos uma probabilidade de transição, para a dupla ressonância, dada por uma função Lorentziana. Também mostramos que, para campos magnéticos pequenos, da ordem do campo gerado pelas bobinas ao redor da célula, é a largura de linha do nível superior 5D5/2 que governa esta probabilidade de transição.
Neste trabalho estudamos o fenomeno de transparencia induzida eletromag-neticamente (EIT) em sistemas de tres niveis nas configuracoes lambda, V e cascata. Nestes sistemas, a transparencia de um feixe de prova e induzida por um feixe de acoplamento mais forte. Uma comparacao sistematica da largura do sinal de EIT e da dispersao no meio para os tres sistemas, usando diferentes valores relativos de comprimento de onda dos dois feixes, e apresentada para meios atomicos alargados inomogeneamente. A dependencia da EIT com o ângulo entre os feixes de prova e acoplamento e tambem investigada. Observamos que, embora os sinais de EIT mais estreitos e profundos, e uma maior inclinacao da curva de dispersao sejam obtidos para o sistema lambda, o sistema V e o mais robusto com relacao ao ângulo entre os feixes e ao comprimento de onda relativo dos feixes. Por fim, apresentamos os resultados obtidos no experimento realizado em um sistema de 3 niveis na configuracao cascata levando em conta os niveis 1S01 1P01 e 1D2em atomos de calcio, descrevendo o uso inedito da tecnica de detecao optogalvânica na observacao de EIT. Neste experimento observamos EIT em uma lâmpada de catodo oco de Ca com vapor de fundo de Kr que nos forneceu ate 76% de cancelamento da absorcao de um laser em 423 nm induzido por um laser amarelo 586 nm forte contrapropagante. EIT neste mesmo sistema cascata considerando uma geometria copropagante dos feixes de laser foi observada
Abstract
Nesta tese, realizamos experiências relacionadas com o armazenamento de informação óptica em um ensemble de átomos frios de césio. A configuração experimental utilizada foi semelhante à de mistura de quatro ondas degenerada resolvida no tempo, usando a geometria conhecida como conjugação de fase óptica. Investigamos, tanto teórica quanto experimentalmente, diversos efeitos coerentes e mostramos explicitamente o armazenamento de uma grade de coerência entre os subníveis Zeeman pertencentes a um nível hiperfino do estado fundamental do césio. Analisamos o comportamento da energia dos pulsos gerados em função das intensidades dos campos envolvidos e observamos diferentes comportamentos de saturação. Em outro experimento, estudamos as correlações de energia entre diferentes modos temporais e espaciais gerados coerentemente pelo meio, o qual permitiu observar que os efeitos de emissão espontânea são predominantes quando cada transição do sistema é acessada com mesma intensidade de leitura. As larguras temporais dos modos envolvidos no processo mostraram ser invariantes quando a intensidade total de leitura se mantém constante. Realizamos também, usando um campo magnético externo, uma investigação sobre a evolução coerente do estado armazenado. Medimos a evolução temporal do sinal difratado em duas condições experimentais distintas: com o campo magnético externo aplicado paralelo e perpendicularmente à direção de propagação dos campos ópticos. Em ambos os casos, observamos uma série de collapses and revivals que estão intimamente relacionados com a precessão de Larmor da grade Zeeman armazenada em torno do campo magnético aplicado externamente. Finalmente, realizamos experiências envolvendo modos do campo eletromagnético que possuem momentum angular orbital (MAO). Demonstramos o armazenamento de estados de MAO e de suas superposições coerentes, bem como sua manipulação com campos magnéticos externos. Mostraremos que o MAO óptico pode ser armazenado, manipulado e recuperado coerentemente a partir do sistema atômico.
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