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EIT Light Storage of Weak Coherent Pulses in a Doped Solid

Hain, Marcel (2021):
EIT Light Storage of Weak Coherent Pulses in a Doped Solid. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00019257,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: EIT Light Storage of Weak Coherent Pulses in a Doped Solid
Language: English
Abstract:

The research project dealt with the implementation of EIT light storage in the solid state medium Pr:YSO for storage of single photons on a microsecond timescale and weak coherent pulses on a timescale of seconds. The main challenge was to maintain a large efficiency at long storage times and suppress control pulse background by about 120 dB to enable detection of signals on the single photon level. We used a configuration with counterpropagating probe and control beams which enabled a control pulse suppression of about 80 dB and achieved the remaining suppression by spectral filtering. Since the signal and control read pulse frequencies differ only by ∼10 MHz, we built a filter based on a second Pr:YSO crystal in which we tailored the absorption spectrum to the experimental requirements by optical pumping. For short storage times of 2 μs, the filter enhanced the separation between the signal and control read pulses by 42 dB. This enabled the storage of a weak coherent pulse with an average photon number of 1.1 with an efficiency of 42% and a SNR of 3.2. The efficiency was limited by the OD of the storage medium and could be increased by a multipass setup. Residual leakage of the control pulse through the filter limited the SNR. Still, to the best of our knowledge, our result represents the first implementation of single photon storage based on EIT in a solid state medium. To prolong the coherence lifetime, we implemented ZEFOZ. The influence of the magnetic field reduced the OD of the Pr:YSO crystal which led to a lower storage efficiency. We characterized light storage under ZEFOZ conditions at a short storage time of 2 μs. By application of a multipass setup with three passes and temporal shaping of the probe pulse, we partially compensated the reduced OD and achieved efficiencies of up to 23% for storage of classical light pulses. In order to maintain a high setup transmission, we used only two passes for storage of weak coherent pulses. We demonstrated storage of a weak coherent pulse with an average of 10.2 photons for 2 μs with 16% efficiency and a SNR of 1.3. Again, leakage of the control read pulse through the spectral filter limited the SNR. We found this leakage to be due to a weak but spectrally broad pedestal in the spectrum of our OPO-SFG laser system. In order to prolong the light storage time and exploit the long coherence lifetime under ZEFOZ conditions, we applied different sequences for rephasing with RF pulses. In the design of our RF coils for rephasing, we had to consider restrictions given by the static magnetic field setup. Therefore, the rephasing π pulses had a significant inhomogeneity which led to a low rephasing efficiency of 15% when we applied two π pulses. To compensate these errors, we applied UR DD which increased the rephasing efficiency to 40%. Due to an experimental limitation, we could not reduce the separation of the rephasing π pulses below 10 ms without reducing the storage efficiency. This limited the effectiveness of DD. Nevertheless, we achieved a storage time of 7.5 s for classical light pulses and confirmed this timescale for storage of weak coherent pulses with an average of 52 photons. We stored weak coherent pulses with different photon number for 1.28 s and extrapolated a SNR of 0.09 for storage of a single photon. For storage of a weak coherent pulse with an average of 7 photons, we determined an efficiency of 6% and a SNR of 0.6. This represents the first implementation of a memory for weak coherent pulses close to the single photon level with a storage time in the regime of seconds. Compared to the current state-of-the-art single photon storage time of 100 ms, we achieve a more than one order of magnitude longer storage time. As an extension of our investigations, we developed, implemented and studied novel universal composite pulse sequences to invert superposition states or efficiently transfer population between two states. In particular, we experimentally demonstrated UCPs for population inversion which are especially suited for situations in which pulse area and detuning errors are correlated. We showed that we can rotate the excitation profile of the sequence by changing the phases of the excitation pulses. This enables adaption to the specific correlation of errors present in an experiment. Moreover, we demonstrated a composite version of STIRAP. We showed that for detuned pulses, the phases of UCPs enhance the robustness to variations in any experimental parameter. We achieved an increase in population transfer efficiency from 50% for five times repeated detuned STIRAP to 85% for UR CSTIRAP.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Implementierung von Lichtspeicherung basierend auf EIT im Festkörpermedium Pr:YSO zur Speicherung einzelner Photonen auf einer Zeitskala von Mikrosekunden und schwacher kohärenter Lichtpulse über mehrere Sekunden. Die Herausforderungen lagen hierbei im Erhalt der Speichereffizienz bei langen Speicherzeiten und in der Unterdrückung des Hintergrundsignals aufgrund des starken Kontrolllesepulses um etwa 120 dB, welche notwendig zur Detektion des schwachen Signals ist. Es wurde ein Aufbau mit gegenläufigen Nachweis- und Kontrollstrahlen gewählt, wodurch eine Unterdrückung des Kontrollpulses um etwa 80 dB erreicht werden konnte. Die verbleibende Unterdrückung von 40 dB wurde durch spektrales Filtern erreicht. Da sich die Frequenzen von Kontroll- und Signalpuls nur um ∼10MHz unterscheiden, wurde ein spektraler Filter basierend auf einem zweiten Pr:YSO Kristall aufgebaut, in welchem das Absorptionsspektrum mit Hilfe von optischem Pumpen flexibel an die Anforderungen angepasst werden konnte. Für kurze Speicherzeiten von 2 μs verbesserte der Filter die Unterdrückung des Kontrollpulses um 42 dB. Dies ermöglichte die Speicherung schwacher kohärenter Pulse mit einer mittleren Photonenzahl von 1,1 mit einer Effizienz von 42% und einem Signal-Hintergrund-Verhältnis von 3,2. Hierbei war die Effizienz durch die optische Dichte des Speichermediums limitiert. Durch Anwenden eines Aufbaus mit mehreren Durchläufen könnte diese weiter gesteigert werden. Das Signal-Hintergrund-Verhältnis war durch die verbleibende Transmission des Kontrollpulses durch den spektralen Filter begrenzt. Dennoch stellt das erreichte Ergebnis die erste Implementierung eines Speichers für einzelne Photonen mittels EIT in einem Festkörpermedium dar. Zur Verlängerung der Kohärenzlebensdauer wurde die ZEFOZ Technik angewandt. Aufgrund des für ZEFOZ notwendigen Magnetfeldes, sank die optische Dichte des Pr:YSO Kristalls, was zu einer geringeren Speichereffizienz führte. Zunächst wurde die Lichtspeicherung unter ZEFOZ-Bedingungen bei einer kurzen Speicherzeit von 2 μs charakterisiert. Mittels eines Aufbaus mit drei Durchläufen und Formung des zeitlichen Profils des Nachweispulses konnte die reduzierte optische Dichte teilweise ausgeglichen werden und eine Effizienz von bis zu 23% bei Speicherung klassischer Lichtpulse erreicht werden. Um eine hohe Transmission des Aufbaus sicherzustellen, wurden zur Speicherung schwacher kohärenter Pulse lediglich zwei Durchläufe verwendet. Mit diesem Aufbau wurde die Speicherung schwacher kohärenter Pulse mit einer mittleren Photonenzahl von 10,2 für 2 μs mit einer Effizienz von 16% demonstriert. Hierbei war das Signal-Hintergrund-Verhältnis von 1,3 erneut durch die Resttransmission des Lesepulses durch den spektralen Filter begrenzt. Es hat sich gezeigt, dass diese Resttransmission von einem schwachen, aber spektral breiten Untergrund des Lasersystems herrührt. Um die verlängerte Kohärenzlebensdauer bei der Speicherung von Lichtpulsen zu nutzen, wurden verschiedene Sequenzen zur Rephasierung mittels Radiofrequenzpulsen eingesetzt. Da es beim Entwurf der Radiofrequenzspulen Einschränkungen durch das ZEFOZ Spulensystem gab, wies das Radiofrequenzfeld eine signifikante Inhomogenität auf. Dies führte zu einer geringen Rephasierungseffizienz von 15% bei der Anwendung von zwei π Pulsen. Um diese Pulsfehler zu kompensieren, wurde universell robuste dynamische Dekohärenzkontrolle angewendet, wodurch die Rephasiereffizienz auf 40% gesteigert werden konnte. Der zeitliche Abstand der Rephasierungspulse konnte aufgrund nicht weiter untersuchter experimenteller Einschränkungen nicht unter 10 ms verringert werden, ohne Verluste in der Effizienz in Kauf zu nehmen. Dies beschränkte die Effektivität der dynamischen Dekohärenzkontrolle. Trotzdem konnte eine Speicherzeit von 7,5 s für klassische Lichtpulse erreicht werden und diese Zeitskala auch für die Speicherung schwacher kohärenter Pulse mit einer mittleren Photonenzahl von 52 bestätigt werden. Weiterhin wurden schwache kohärente Pulse mit unterschiedlicher Photonenzahl für 1,28 s gespeichert und ein Signal-Hintergrund-Verhältnis von 0,09 für die Speicherung eines einzelnen Photons extrapoliert. Für die Speicherung eines schwachen kohärenten Pulses mit einer mittleren Photonenzahl von 7 wurde eine Effizienz von 6% und ein Signal-Hintergrund-Verhältnis von 0,6 bestimmt. Dies stellt die erste Implementierung eines Speichers für schwache kohärente Lichtpulse nahe dem Einzelphotonenniveau mit Speicherzeiten im Bereich von Sekunden dar. Im Vergleich zum aktuellen Stand der Forschung zur Speicherung einzelner Photonen über möglichst lange Zeiten, also einer Speicherzeit von 100 ms, wurde somit in dieser Arbeit eine Steigerung von mehr als einer Größenordnung erreicht. Die Untersuchungen wurden ergänzt um die Entwicklung, Implementierung und Charakterisierung neuartiger universell robuster Sequenzen für die Invertierung von Überlagerungszuständen und für den Transfer von Besetzung. Insbesondere wurden universelle komposite Pulse für Besetzungstransfer eingesetzt, welche besonders geeignet sind für Experimente, bei denen Pulsflächen- und Verstimmungsfehler korreliert sind. Es wurde gezeigt, dass das Anregungsprofil der Sequenz durch das Ändern der Phasen rotiert werden kann. Dies ermöglicht das Abstimmen der Sequenz auf die experimentell vorhandene Korrelationsstärke. Weiterhin wurde die erste experimentelle Implementierung von kompositem STIRAP demonstriert. Es wurde für verstimmtes STIRAP gezeigt, dass die Anwendung der Phasen universell robuster Pulse die Robustheit gegenüber Fehlern in beliebigen experimentellen Fehlern steigert. Für fünffach angewendetes STIRAP wurde eine Steigerung der Effizienz des Besetzungstransfers von 50% auf 85% mittels universell robustem kompositem STIRAP erzielt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: ii, 101 Seite
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Nonlinear Optics/Quantum Optics
Date Deposited: 11 Aug 2021 08:52
Last Modified: 11 Aug 2021 08:53
DOI: 10.26083/tuprints-00019257
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-192571
Referees: Halfmann, Prof. Dr. Thomas ; Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 21 July 2021
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/19257
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