Spektroskopia w ±wiatªowodach wypeªnionych rubidem 84

‘wiatªowody wypeªnione rubidem umo»liwiaj¡ przeprowadzenie bada« wielu optycznych zjawisk nieliniowych w rubidzie, w tym opisanego ju» zjawiska elektromagnetycznie indukowanej przezroczysto±ci, czy spektroskopii nasy-ceniowej. S¡ one najcz¦±ciej realizowane w ukªadzie typu V na przej±ciach

p19Dla linii D1 (795 nm) nasycenie przej±cia optycznego obserwuje si¦ przy g¦sto±ci energii rz¦du IS ≈ 4,5 mW/cm2. Przy g¦sto±ci energii I  Is absorpcja ±wiatªa ma charaktery nieliniowy.

p20Jest to szeroko±¢ piku saturacyjnego w ±wiatªowodzie przy braku wi¡zki LIAD, a wi¦c ju» po uwzgl¦dnieniu innych efektów poszerzania widma w ±wiatªowodach.

p21Pomiary wykonuje si¦ jednak na tyle szybko po wyª¡czeniu wi¡zki desorbuj¡cej, »e odbywaj¡ si¦ one dalej przy du»ej g¦sto±ci par atomów, które nie zd¡»yªy jeszcze by¢ ponownie adsorbowane do powierzchni.

D1 (795 nm) oraz D2 (780 nm) przy zastosowaniu techniki LIAD.

Badania w ±wiatªowodach skupiaj¡ si¦ przede wszystkim na analizowa-niu czynników wpªywaj¡cych na szeroko±ci mierzonych sygnaªów jako gªów-nego czynnika ograniczaj¡cego spektraln¡ zdolno±¢ rozdzielcz¡. Bezpo±rednio przekªada si¦ to na perspektyw¦ u»ycia wªókien wypeªnionych rubidem jako o±rodków z koherencjami kwantowymi.

Istnieje szereg mechanizmów prowadz¡cych do poszerzenia sygnaªów optycznych np. linii widmowych. Najcz¦±ciej spotykanym mechanizmem po-szerzaj¡cym sygnaªy optyczne, jest tzw. poszerzenie moc¡ ±wiatªa skaluj¡ce si¦ z jego nat¦»eniem I zgodnie z równaniemp22 [15]:

∆νFWHM = γ0(1 + I/Inas)^1/2, (2.4) gdzie Inas jest tzw. nat¦»eniem ±wiatªa nasycenia zale»nym od staªych ato-mowych danego pierwiastka, ale równie» warunków eksperymentalnych. a γ0 jest ekstrapolowan¡ szeroko±ci¡ przej±cia obserwowan¡ przy braku ±wiatªa.

Relacja ta jest dobrze speªniona eksperymentalnie, co ilustruje pomiar wykonany w ±wiatªowodzie na przej±ciu F = 1 → F0 = 2 linii D1 w 87Rb (F i F0 to liczby kwantowe opisuj¡ce caªkowity moment p¦du odpowiednio stanu podstawowego i wzbudzonego), przedstawiony na rysunku 2.16 [102]. Zmierzona minimalna szeroko±¢ przej±cia wynosi okoªo 27 MHz, przy warto±ci Isat która w tej geometrii odpowiada mocy rz¦du Pnas ≈ 26 nW. Jest to moc wielokrotnie mniejsza od mocy nasycenia w zwykªych komórkach gazowych. Daje ona szeroko±¢ linii 27 MHz  blisk¡ granicy wynikaj¡cej ze sko«czonego czasu oddziaªywania atomu z wi¡zk¡ ±wiatªa. Pomiary w strukturach typu kagome, wskazuj¡ jednak, »e istnieje mo»liwo±¢ dalszego ograniczenia tego

p22Jest to caªkowita szeroko±¢ sygnaªu mierzona na wysoko±ci poªowy maksimum FWHM (ang. Full Width Half Maximum).

Moc optyczna, nW S ze ro ko ść lo re nt zo w sk a, M H z

Rysunek 2.16: Szeroko±¢ pików spektroskopii saturacyjnej przej±cia F = 1 → F0 = 2linii D1 (795 nm) w 87Rb w ±wiatªowodzie fotonicznym [102].

poszerzenia i w efekcie uzyskuje si¦ linie szersze zaledwie o okoªo 1 MHz od linii uzyskiwanych w komórkach gazowych [64].

Drugim typowym mechanizmem poszerzania linii widmowych jest de-koherencja przy zderzeniach ze ±ciankami wªókna. Zjawisko to ma znaczenie przy badaniu efektów koherencyjnych, np. EIT. Przykªadowy pomiar EIT we wªóknach typu HC-PCF zaprezentowano w pracy [101] (rysunek 2.17). Zrealizowany zostaª w strukturze typu V utworzonej na przej±ciach D1 i D2 w Rb. Efekt EIT obserwowany byª przy mocy wi¡zki sprz¦gaj¡cej (linia D2) rz¦du 10 nW, i mocy wi¡zki próbkuj¡cej (linia D1) rz¦du 100 pW. S¡ to war-to±ci ponad 1000 razy mniejsze ni» w ukªadach optyki obj¦war-to±ciowej. Przy wi¡zce sprz¦gaj¡cej o mocy rz¦du 2,65 µW mo»liwe byªo otrzymanie okna transmisji na poziomie 90% (rysunek 2.17). Z pomiaru szeroko±ci okna trans-misji w funkcji mocy wi¡zki sprz¦gaj¡cej otrzymano czas »ycia koherencji mi¦dzy górnymi poziomami rz¦du 24 MHz i czas dekoherencji (z obu po-ziomów) ok. 90-100 MHz. Warto±ci te wynikaj¡ z istnienia zderze« atomów

Gęstość mocy, W/cm2

Odstrojenie, 100 MHz

wiązka

sprzęgająca _próbkująca^wiązka

S ze ro ko ść F W H M , M H z T ra ns m is ja , j .u .

Rysunek 2.17: Elektromagnetycznie indukowana przezroczysto±¢ obserwowana w ukªadzie V we wªóknie HC-PCF wypeªnionym rubidem: a) widmo transmisji przy wi¡zce sprz¦gaj¡cej o mocy 361 nW, czarna strzaªka wskazuje okno transmi-sji EIT, dodatkowy wykres przedstawia 90% okno transmitransmi-sji z wi¡zk¡ sprz¦gaj¡c¡ o mocy 2,65 µW, b) szeroko±¢ okna transmisji w funkcji mocy wi¡zki sprz¦gaj¡-cej [101]. Pomiar wykonany w ukªadzie z wi¡zkami ±wiatªa (próbkuj¡c¡ i sprz¦ga-j¡c¡) skierowanymi w tym samym kierunku.

ze ±ciankami wªókna.

Podobny pomiar zostaª wykonany we wªóknach typu kagome, w któ-rych EIT byªo obserwowane w ukªadzie Λ utworzonym przez podpoziomy F = 2, F = 3 stanu 5S1/2 oraz podpoziom F0 = 2 stanu 5P3/2 (jest to linia D2 780nm) [103]. W tych pomiarach, przy mocy sprz¦gaj¡cej nie przekra-czaj¡cej 2 µW, szeroko±¢ okna transmisji byªa praktycznie staªa na poziomie 6 MHz. Dla uzyskania tak w¡skich przej±¢ zastosowane wªókno pokryte zo-staªo warstw¡ antyrelaksacyjn¡ wykonan¡ z polidimetylosiloksanu (PDMS).

2.5 Podsumowanie

Przegl¡d literatury przedstawiony w pierwszych dwóch rozdziaªach byª wa»-n¡ motywacj¡ prac wªasnych opisanych w niniejszej rozprawie. Wªókna z za-wieszonym rdzeniem maj¡ wci¡» jeszcze niewykorzystany potencjaª. Kolejny rozdziaª pracy po±wi¦cony jest wi¦c pomiarom wªa±ciwo±ci tych wªókien oraz ocenie w jakim stopniu mog¡ by¢ stosowane w badaniach spektroskopowych. Wiele trudno±ci zwi¡zanych z prac¡ z pierwiastkami alkalicznymi mo»-na unikn¡¢ stosuj¡c mniej agresywne gazy. Przykªadem takiego podej±cia jest opisany w rozdziale 4 pomiar efektu magnetorotacji w molekularnym tlenie.

Rozdziaª 3

Pomiary i symulacje wªa±ciwo±ci

wybranych ±wiatªowodów

W rozdziale 1 opisane zostaªy podstawowe parametry struktur ±wiatªowodo-wych. Jak zostaªo to pokazane, maj¡ one kluczowy wpªyw na zastosowanie ±wiatªowodów w spektroskopii. Niniejszy rozdziaª po±wi¦cony do±wiadczal-nym i teoretyczdo±wiadczal-nym badaniom parametrów dwóch klas wªókien ±wiatªowo-dowych: ±wiatªowodów z zawieszonym rdzeniem SCF oraz ±wiatªowodów z fo-toniczn¡ przerw¡ wzbronion¡ HC-PBF o sieci trójk¡tnej.

3.1 Wprowadzenie

Stosowane w tej pracy wªókna SCF wytwarzane byªy w Pracowni Technologii ‘wiatªowodów na Uniwersytecie Marii Curie-Skªodowskiej w Lublinie. Para-metry tych wªókien nie byªy precyzyjnie znane i pocz¡tkowe prace polegaªy na pomiarze ich wªa±ciwo±ci (podrozdziaª 3.2).

Cz¦±¢ prac wykonano równie» w komercyjnych ±wiatªowodach fotonicz-nych produkowafotonicz-nych przez rm¦ NKT Photonics. W do±wiadczeniach

opi-sanych w rozdziale 4 stosowane byªy wªókna AIR-6-800, które w badaniach omawianych w rozdziale 5 zast¡pione zostaªy wªóknami HC-800 (zmiana wy-nikaªa ze zmiany dªugo±ci fali stosowanej w eksperymentach). Podstawowe parametry tych wªókien dost¦pne s¡ na stronie producenta [65].