Defesa de Tese de Doutorado de Marco Polo Moreno de Souza. Título: Excitação coerente de um vapor atômico por trens de pulsos ultracurtos e lasers contínuos. Departamento de Física, Universidade Federal de Pernambuco, 27 de junho de 2012

1. Excitação coerente de um vapor atômico
por trens de pulsos ultracurtos
e lasers contínuos
Marco Polo Moreno de Souza
Defesa de Tese de Doutorado
Orientadora: Sandra Sampaio Vianna
27 de junho de 2012

2. Introdução
Regime de acumulação coerente
Domínio da frequência

3. Roteiro
Domínio do tempo Um experimento
Equações de Bloch
CPT (teórico)
Domínio da frequência
Dois experimentos
Fundamentos da interação coerente entre lasers e sistemas atômicos
A impressão do pente de frequências na distribuição atômica de velocidades
Abordagem no domínio da frequência
Aprisionamento coerente de população
Experimento 1: Bombeamento óptico entre níveis hiperfinos
Experimento 2: Transição de dois fótons em cascata

4. O trem de pulsos ultracurtos
Envoltórias idênticas.
Intervalo entre os pulsos constante.
Relação de fase bem definida.

5. O pente de frequências ópticas
N

6. Interação entre lasers
e sistemas atômicos

7. Interação entre lasers e sistemas atômicos
Evolução da matriz densidade:
Equações de Bloch:
(Regime estacionário)
(Frequência de Rabi)
12 1ˆ 2
Caso particular: laser contínuo (cw):

8. Interação entre lasers e sistemas atômicos
Interação com o trem de pulsos: Domínio do tempo
(grupo de átomos parado):
Método numérico no domínio do tempo
(código em C++):
f R 100 MHz 22
m
/2 5 MHz 100
22

9. Impressão do pente de
frequências na distribuição
atômica de velocidades

10. Impressão do pente de frequências na
distribuição atômica de velocidades
Para átomos de rubídio com
v ~ 300 m/s, temos ~ 500
MHz de alargamento.

11. Impressão do pente de frequências na
distribuição atômica de velocidades
Experimento:
Laser de Laser de
Ti:safira diodo
fR 76 MHz Tp ~ 150 fs

12. Abordagem no domínio da
frequência

13. Abordagem no domínio da frequência
Equivalência entre os tratamentos no domínio do tempo e no
domínio da frequência.
A. Yariv. Quantum Electronics (John Wiley-Sons, New York, 1989):

14. Abordagem no domínio da frequência
Equações de Bloch:
Expansão perturbativa em série de potências dos campos:
(Frequência de Rabi do modo m)

15. Abordagem no domínio da frequência
f R 100 MHz 22 /2 5 MHz m 22 /100

16. Abordagem no domínio da frequência
Fora do regime de acumulação coerente:
fR 5 MHz 22 /2 5 MHz m 22 /100

17. Abordagem no domínio da frequência
Regime de campos intensos:

18. Aprisionamento coerente
de população

19. Aprisionamento coerente de população
M. Fleischhauer, Rev. Mod. Phys., Vol. 77, No. 2, (2005)

20. Aprisionamento coerente de população
Resultados numéricos – evolução temporal:
31 /2 4 106
21 /2 70 f R
fR 50 ( / 2 )
12 0
/2 2 MHz

21. Aprisionamento coerente de população
Resultados numéricos – regime estacionário:

22. Aprisionamento coerente de população
Tratamento analítico no domínio da frequência:

23. Aprisionamento coerente de população
(Ignorar transições de quatro ou mais modos)
21 /2 70 f R
12 0
31 /2 4 106
fR 50 ( / 2 )

24. Aprisionamento coerente de população
Ressonâncias de
Vapor atômico um fóton sempre
estão presentes
f R do trem de pulsos fixa, na condição de CPT
Laser de prova cw sonda o estado fundamental
Resultados numéricos

25. Experimento 1

26. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Laser de Laser de
Ti:safira diodo
f R ~ 1 GHz
Duas técnicas:
1 – Espectroscopia seletiva em velocidades
2 – Espectroscopia com a taxa de repetição

27. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Laser de Ti:safira: gerador do trem de pulsos ultracurtos.

28. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Arranjo experimental:

29. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos

30. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Resultados:
cw 0,36
m 0,16
(F 3 F ' 3)

31. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Tratamento no domínio da frequência:
Aproximações:
1 - Um único modo para cada transição atômica.
2 - A intensidade do laser de diodo é fraca:
11 T (Transmissão)
Solução das equações de Bloch para 11
no regime estacionário:

32. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Comparação: experimento e teoria:

33. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos
Espectroscopia com a taxa de repetição:

34. Experimento 1: bombeamento óptico
entre níveis hiperfinos

35. Experimento 2

36. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata

37. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata

38. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata
Teoria:
1 – Equações de Bloch no regime estacionário.
2 – 1 modo m do pente + modo cw do diodo.
Método - Algoritmo escrito no Maple:

39. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata

40. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata
Comparação
Teoria vs. Experimento:

41. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata
Estimamos a frequência de off-set do laser de Ti:safira:
Ressonância de dois fótons:
Ressonância do grupo de átomos
com o laser de diodo:

42. Experimento 2: Transição de dois fótons
em cascata
Influência do bombeio óptico do laser de diodo:

43. Conclusões
Interação átomos-laser
Domínios do tempo e da frequência
CPT com trem de pulsos
Espectroscopia seletiva em velocidades
Espectroscopia com a taxa de repetição
Off-set a partir de uma transição de dois fótons