Biestabilidade óptica em átomos de três níveis em uma cavidade óptica
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Trabalho de conclusão de curso |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFSCAR |
Texto Completo: | https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18537 |
Resumo: | The phenomenon of optical bistability in atomic systems confined in an optical cavity has been extensively explored due to its potential for applications such as optical switches, memories and optical transistors. The bistability observed in multi-level atomic systems has some advantages over the usual two-level system with respect to non-linear optical properties, absorption and scattering. The configuration of atoms with more than two levels allows the use of other electromagnetic fields by coupling different atomic transitions resonantly, or quasi-resonantly, making it more feasible to manipulate and control non-linear optical processes, which may be related to the phenomena of electromagnetically induced transparency (EIT - \textit{Electromagnetically Induced Transparency}) and coherent population trapping (CPT - \textit{Coherent Population Trapping}). In this work we theoretically study the CPT phenomenon in cavities to explore the control and properties of optical bistability in systems composed of $N$ three-level atoms in $\Lambda$ configuration, independently coupled to the same field mode of an optical cavity. To obtain the interaction hamiltonian of the system we used the semiclassical approximation, which consists of considering atoms quantumly and the cavity field classically. Through the formalism of the master equation, we derive the Maxwell-Bloch equations and the dynamics of the system was obtained through computational simulations performed in MATLAB. The obtained results show that it is possible to obtain a sensitive control of the optical bistability from the adjustment of parameters external to the system, such as the frequency and intensity of the test field and the intensity of the control field. The possibility of controlling light with observed light in the studied system, through the phenomenon of optical bistability, can be promising for the development of optical devices with different functionalities. |
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The configuration of atoms with more than two levels allows the use of other electromagnetic fields by coupling different atomic transitions resonantly, or quasi-resonantly, making it more feasible to manipulate and control non-linear optical processes, which may be related to the phenomena of electromagnetically induced transparency (EIT - \textit{Electromagnetically Induced Transparency}) and coherent population trapping (CPT - \textit{Coherent Population Trapping}). In this work we theoretically study the CPT phenomenon in cavities to explore the control and properties of optical bistability in systems composed of $N$ three-level atoms in $\Lambda$ configuration, independently coupled to the same field mode of an optical cavity. To obtain the interaction hamiltonian of the system we used the semiclassical approximation, which consists of considering atoms quantumly and the cavity field classically. Through the formalism of the master equation, we derive the Maxwell-Bloch equations and the dynamics of the system was obtained through computational simulations performed in MATLAB. The obtained results show that it is possible to obtain a sensitive control of the optical bistability from the adjustment of parameters external to the system, such as the frequency and intensity of the test field and the intensity of the control field. The possibility of controlling light with observed light in the studied system, through the phenomenon of optical bistability, can be promising for the development of optical devices with different functionalities.O fenômeno da biestabilidade óptica em sistemas atômicos confinados em uma cavidade óptica tem sido extensamente explorado devido ao seu potencial de aplicações como chaveadores ópticos, memórias e transistores ópticos. A biestabilidade observada em sistemas atômicos de muitos níveis tem algumas vantagens sobre o sistema usual de dois níveis com relação a propriedades ópticas não lineares, absorção e dispersão. A configuração de átomos de mais de dois níveis permite a utilização de outros campos eletromagnéticos acoplando ressonantemente, ou quase ressonantemente, diferentes transições atômicas, tornando mais viável a manipulação e controle de processos ópticos não lineares, os quais podem estar relacionados aos fenômenos de transparência eletromagneticamente induzida (EIT - \textit{Electromagnetically Induced Transparency}) e aprisionamento coerente de população (CPT - \textit{Coherent Population Trapping}). Neste trabalho estudamos teoricamente o fenômeno de CPT em cavidades para explorar o controle e as propriedades da biestabilidade óptica em sistemas compostos por $N$ átomos de três níveis em configuração $\Lambda$, acoplados independentemente ao mesmo modo do campo de uma cavidade óptica. Para a obtenção do hamiltoniano de interação do sistema utilizamos a aproximação semiclássica, que consiste em considerar os átomos quanticamente e o campo da cavidade classicamente. Através do formalismo da equação mestra, deduzimos as equações de Maxwell-Bloch e a dinâmica do sistema foi obtida a partir de simulações computacionais conduzidas em MATLAB. Os resultados obtidos mostram que é possível obter um controle sensível da biestabilidade óptica a partir do ajuste de parâmetros externos ao sistema, como a frequência e a intensidade do campo de prova e a intensidade do campo de controle. A possibilidade de controlar luz com luz observada no sistema estudado, através do fenômeno da biestabilidade óptica, pode ser promissora para o desenvolvimento de dispositivos ópticos com diferentes funcionalidades.Não recebi financiamentoporUniversidade Federal de São CarlosCâmpus SorocabaFísica - FL-SoUFSCarAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessBiestabilidade ópticaEletrodinâmica quântica em cavidadesAproximação semiclássicaAprisionamento coerente de população em cavidadesOptical bistabilityCavity quantum electrodynamicsSemiclassical approximationCavity coherent population trappingCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA ATOMICA E MOLECULAR::ESPECTROS ATOMICOS E INTEGRACAO DE FOTONSBiestabilidade óptica em átomos de três níveis em uma cavidade ópticaOptical bistability of three-level atoms in an optical cavityinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis600600a7e76439-54a1-4b89-84c3-264b6b57a010reponame:Repositório Institucional da UFSCARinstname:Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)instacron:UFSCARCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8810https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18537/4/license_rdff337d95da1fce0a22c77480e5e9a7aecMD54ORIGINALTCC_LucasAraujo_JamesSouza_FINAL.pdfTCC_LucasAraujo_JamesSouza_FINAL.pdfTrabalho de Conclusão de Cursoapplication/pdf3443550https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18537/3/TCC_LucasAraujo_JamesSouza_FINAL.pdfb2b505a1e9884114cf43f6659e6c981bMD53TEXTTCC_LucasAraujo_JamesSouza_FINAL.pdf.txtTCC_LucasAraujo_JamesSouza_FINAL.pdf.txtExtracted texttext/plain84078https://repositorio.ufscar.br/bitstream/ufscar/18537/5/TCC_LucasAraujo_JamesSouza_FINAL.pdf.txt418452e23b75c7b708f67f0f5839181aMD55ufscar/185372024-05-14 18:32:04.288oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/18537Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufscar.br/oai/requestopendoar:43222024-05-14T18:32:04Repositório Institucional da UFSCAR - Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR)false |
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