Propagation effects in atomic systems for ultrashort and long pulses: Control of the optical response - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Propagation effects in atomic systems for ultrashort and long pulses: Control of the optical response

Effets de propagation dans des systèmes atomiques en régime d'impulsions longues et courtes: Contrôle de la réponse optique

Faheel Hashmi
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Résumé

This thesis deals with the study of propagation effects experienced by weak light pulses as they propagate in atomic media driven by strong pulses. We explore both the ultra-short and long pulse regime and investigate the phenomena that arise at these different time scales. In the short pulse regime, a strongly driven two level atomic system presents transient light shifts, and non-adiabatic transitions occur between these adiabatic levels. We have studied a method to probe these light shifts in real time by propagating a weak probe through the medium. The light shifts enrich the spectrum of the probe and the probe gets shaped as a result. In this way a strongly driven two-level system can act as an active pulse shaper, and can introduce oscillations in the temporal profile of an ultra-short pulse at a time scale shorter than the pulse duration. We also show that by driving the system with two time delayed non-resonant strong fields, the non-adiabatic effects can be rendered phase dependent. This gives very sensitive phase control of the excited state population and can be used to formulate new techniques in interferometry. In the long pulse regime we present a new method of slowing light that can be realized in a double two-level system interacting with two orthogonally polarized light pulses that propagate along different axis. Spatio-temporal dependence of the total polarization induces a grating in the ground Zeeman coherence. The stronger of the two fields (the control field) is diffracted from this grating into the direction of the weak probe field compensating for the absorption of this latter field. A transparency window is thus created in the absorption spectrum of the probe leading to the slowing down of light. The transparency window exhibits characteristics similar to the one obtained by EIT (electromagnetic induced transparency) method. However, the important difference between our method and the traditional EIT method, is that ours doesn't rely on realizing dark state in the system. This may open the possibility of slowing down light in more complex atomic media. Moreover, when the linear absorptive response of the medium is cancelled in this manner, the nonlinear response becomes more important. In the situation where fields propagate in the same direction and have same frequency, two regimes have been investigated. For small optical depths, the effective susceptibility behaves as chi_lin exp[2 i phi] (with phi the phase difference between two fields). This renders phase control of the medium response, and the medium can be changed from an absorber to an amplifier, with normal or anomalous dispersion, by adjusting the relative phase phi.  In the regime of large optical thickness, phase saturation takes place and the effective susceptibility turns into chi_lin*, changing an absorber into an amplifier without effecting the dispersive response (chi_lin is linear susceptibility).
Cette thèse concerne l'étude des effets de propagation subis par des impulsions lumineuses de faible intensité lorsqu'elles se propagent dans des systèmes atomiques soumis à des champs intenses. Nous explorons aussi bien le régime d'impulsions longues que courtes et nous analysons les phénomènes qui se produisent à ces échelles de temps différents. En régime d'impulsions ultracourtes, un système atomique à deux niveaux soumis à un champ intense présente des déplacements lumineux transitoires, et des transitions non adiabatiques se produisent entre ces états. Nous avons étudié une méthode qui permette de sonder en temps réel ces déplacements lumineux en propageant un champ sonde de faible intensité. Les déplacements lumineux enrichissent le spectre de la sonde qui se trouve ainsi modifiée. Un système à deux niveaux peut se comporter alors comme un dispositif de mise en forme et peut induire sur le profil temporel d'une impulsion ultra courte des oscillations à une échelle de temps plus courte que la durée de l'impulsion. Nous montrons aussi qu'en excitant le système avec deux impulsions intenses non résonantes et décalées dans le temps, les effets non adiabatiques peuvent être dépendant de la phase. Ceci conduit à un contrôle très sensible par la phase de la population excitée. Cet effet peut être utilisée pour créer de nouvelles techniques en interférométrie. En régime d'impulsions longues, nous présentons une nouvelle méthode de ralentissement de la lumière qui peut être réalisée dans un système à deux niveaux double interagissant avec deux impulsions de lumière polarisées orthogonalement et se propageant selon des axes différents. La dépendance spatio-temporelle de la polarisation totale induit un réseau dans la cohérence Zeeman du fondamental. Le champ le plus intense (champ de contrôle) est diffracté par ce réseau dans la direction du champ sonde de faible intensité compensant l'absorption de ce dernier. Une fenêtre de transparence est alors créée dans le spectre d'absorption de ce champ conduisant au ralentissement de la lumière. La fenêtre de transparence exhibe alors des caractéristiques similaires à ceux obtenus par la méthode EIT (electromagnetic induced transparency). Toutefois la différence importante avec la méthode EIT est que dans notre cas aucun état noir n'est créé dans le système. Ceci ouvre la voie à la possibilité de ralentir la lumière dans des systèmes plus complexes. D'autre part, quand l'absorption (linéaire) du système est éliminée, la réponse non linéaire devient plus importante. Dans la situation où les champs se propagent dans la même direction et ont même fréquence, deux régimes d'interactions ont été étudiés. Pour de faibles épaisseurs optiques, la susceptibilité effective se comporte comme chi_lin exp[2 i phi] (avec phi la différence de phase entre champs). Ceci rend alors possible le contrôle de la réponse du milieu par la phase. Le milieu peut se transformer d'un absorbant à un amplificateur avec une dispersion normale ou anormale en ajustant la phase relative phi . En régime de large épaisseur optique, la saturation de la phase se produit et la susceptibilité effective se trouve changée en chi_lin*, modifiant un absorbant en un amplificateur sans affecter la réponse dispersive.
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Dates et versions

tel-00361143 , version 1 (13-02-2009)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00361143 , version 1

Citer

Faheel Hashmi. Propagation effects in atomic systems for ultrashort and long pulses: Control of the optical response. Atomic Physics [physics.atom-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00361143⟩
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