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.
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.
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.
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.
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
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.
Estudamos efeitos ópticos não-lineares em vapores alcalinos, quando níveis de Rydberg estão envolvidos como estados intermediários, quase ressonantes, em processos como: mistura de quatro ondas (MQO), absorção de dois fótons, geração de soma (SF) e diferença de freqüência (DF). Analisamos um processo de MQO, com transições de dois fótons envolvendo níveis de Rydberg do átomo de rubídio, e observamos franjas de interferência no sinal não linear. Neste estudo, mostramos que é possível ter um controle coerente sobre os múltiplos caminhos quânticos acessíveis ao sistema atômico, explorando a dependência do sinal não linear com a polarização dos feixes incidentes. Medimos a visibilidade das franjas observadas e obtivemos valores de 100% para o contraste da interferência, na ressonância de dois fótons com um nível de Rydberg. Os resultados experimentais apresentam um bom acordo com cálculos teóricos, baseados no formalismo da matriz densidade aplicado a um sistema atômico de quatro níveis. A distribuição de população para um átomo de quatro níveis foi calculada no regime estacionário, resolvendo as equações da matriz densidade em ordens superiores nos campos incidentes. Mostramos que uma interferência entre os caminhos quânticos de excitação de um estado atômico pode levar ao cancelamento ou ao aumento da população desse nível, dependendo das polarizações dos lasers incidentes. Estudamos também efeitos transientes, resolvendo a equação de Schrödinger dependente do tempo para um sistema de três níveis na configuração V, e previmos a ocorrência de oscilações de Rabi de dois fótons, e batimentos quânticos nas populações do sistema atômico. Finalmente, medimos pela primeira vez a geração da DF em uma amostra de rubídio em alta densidade, através de um processo proibido por dipolo elétrico, envolvendo níveis de Rydberg. Utilizando o modelo do campo elétrico estático, induzido por fotoionização, como um mecanismo de quebra de simetria, desenvolvemos cálculos teóricos que permitiram prever a forma espacial do sinal não linear gerado, e comparar com os resultados existentes na literatura para a geração de segundo harmônico em vapores atômicos
O presente trabalho investigou o fenômeno do resfriamento a laser de átomos neutros, com ênfase na compreensão dos mecanismos que permitem atingir temperaturas abaixo do limite Doppler e na análise da força de resfriamento derivada das equações de Bloch ópticas. A justificativa da pesquisa está na importância fundamental que técnicas de resfriamento e aprisionamento atômico desempenham no avanço da óptica quântica, da metrologia de alta precisão e da informação quântica, possibilitando aplicações como relógios atômicos, simulações quânticas, condensados de Bose-Einstein e investigações de moléculas frias e antimatéria. O objetivo central consistiu em deduzir, de forma detalhada, a força média exercida sobre átomos por feixes de laser contrapropagantes em regime de dessintonia negativa, evidenciando a natureza viscosa dessa interação e estabelecendo condições para a redução efetiva da energia cinética do sistema. A metodologia adotada baseou-se em revisão teórica fundamentada nos modelos de dois níveis e nas equações de Bloch ópticas, aplicadas ao contexto de átomos interagindo com campos coerentes. Desenvolveu-se a dedução da força de pressão de radiação e, em seguida, sua expansão no regime de baixas velocidades, resultando na expressão da força de resfriamento proporcional à velocidade atômica, o que caracteriza um efeito de atrito luminoso. Também foi analisado o papel dos deslocamentos de energia (light shifts), a partir da diagonalização do Hamiltoniano no regime de aproximação da onda girante, evidenciando como os estados vestidos explicam as autoenergias deslocadas pela interação com o campo.