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Kohärente optische Datenverarbeitung in einem seltenerd-dotierten Festkörper

Beil, Fabian :
Kohärente optische Datenverarbeitung in einem seltenerd-dotierten Festkörper.
TU Darmstadt, Institut für Angewandte Physik
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kohärente optische Datenverarbeitung in einem seltenerd-dotierten Festkörper
Language: German
Abstract:

Die hier vorgestellten Experimente behandeln Methoden zur optischen Datenverarbeitung auf der Basis von kohärenten, adiabatischen Prozessen in einem Festkörpermedium. Insbesondere wurden „Stimulated Raman adiabatic Passage“ (STIRAP) und „Elektromagnetisch induzierte Transparenz“ (EIT), sowie die Lichtspeicherung durch EIT genutzt. Nachdem diese Effekte ausführlich in Gasen untersucht wurden, konnten sie in den letzten Jahren auch in speziellen Festkörpermedien demonstriert werden. In dieser Arbeit kommt ein seltenerd-dotierter Kristall zum Einsatz. Solche Medien verbinden die Vorteile von Festkörpern, wie leichte Handhabung und gute Skalierbarkeit mit langen Kohärenzzeiten, die für die Verwirklichung adiabatischer Prozesse unbedingt notwendig sind. Der Bereich der Datenverarbeitung teilt sich in zwei wesentliche Bestandteile, die Speicherung von Daten und die eigentliche Verarbeitung von Informationen. Hiermit beschäftigten sich auch die beiden Teile dieser Arbeit. Im ersten Teil wurde die Optimierung der Lichtspeicherung durch EIT demonstriert. Hierfür kamen verschiedene Verfahren zur Optimierung der Speicherdauer und -effizienz zum Einsatz. Zunächst wurde die Speicherdauer durch kohärente Anregung der Hyperfeinübergänge mit Hochfrequenzfeldern von einigen Mikrosekunden auf einige hundert Mikrosekunden erhöht. Die Speicherdauer liegt nun im Bereich der maximal möglichen Speicherdauer, die durch die Lebensdauer der Kohärenz im vorliegenden Material begrenzt wird. Weiterhin wurde die Effizienz der Lichtspeicherung durch Anwendung evolutionärer Algorithmen (EA) erhöht. Diese Algorithmen bestimmen Lösungen für ein gegebenes Problem mit Hilfe von Vererbung und Mutation und bilden hierdurch die natürliche Evolution nach. Diese Art von Optimierungsverfahren ist im Bereich der ultrakurzen Laserpulse seit Längerem bekannt. In dieser Arbeit wurden diese Verfahren erstmals auch auf den Bereich der adiabatischen Lichtspeicherung angewandt. Hierbei wurde zunächst die zeitliche Form der verwendeten Laserpulse verändert. Es ergab sich eine deutliche Abweichung von der Vorhersage der analytischen Rechnungen. Die in dieser Arbeit gefundenen Pulsformen verlaufen im Allgemeinen steiler, als die theoretisch vorhergesagten. Durch Simulationen konnte jedoch belegt werden, dass die abweichende Pulsform zu einem höheren Kohärenzaufbau führt. Der verbesserte Aufbau von Kohärenz wiederum erhöht die Intensität des ausgelesenen Pulses und somit die Speichereffizienz. Durch die Optimierung der Pulsform konnte die Speichereffizienz um einen Faktor 2 erhöht werden. Außerdem wurde die Präparation des Mediums durch den EA optimiert. Die verbesserte Präparation stellt eine höhere optische Dichte zur Verfügung. Zusätzlich wird das Medium so präpariert, dass die Form des Absorptionseinbruchs durch EIT eine Asymmetrie aufweist. Durch eine Asymmetrie können geringere Gruppengeschwindigkeiten des zu speichernden Nachweis-Pulses erzielt werden. Hierdurch kann ein größerer Anteil des Nachweis-Pulses gespeichert werden. Die Untersuchung der Asymmetrie ist noch nicht vollständig abgeschlossen. Laufende numerische Simulationen konzentrieren sich auf die genaue Form des EIT-Einbruchs. Der zweite Teil dieser Arbeit behandelt den Transfer elektronischer Besetzung durch STIRAP und einen verwandten Prozess, der über einen angeregten Zustand verläuft (b-STIRAP). Hierbei wurde zunächst die Anwendung beider Prozesse in Folge demonstriert, um zyklischen Transfer zu realisieren. Es konnten bis zu acht Transfers der Besetzung nachgewiesen werden. Die numerische Simulation des zyklischen Transfers stimmt zufriedenstellend mit den Messergebnissen überein. Bei der numerischen Untersuchung ergaben sich Evidenzen für einen weiteren adiabatischen Prozess, der ein Dreiniveausystem in einen angeregten Zustand überführt. Außerdem wurde der Einfluss von Zerfällen und Dekohärenz auf STIRAP und b-STIRAP untersucht. Die Pulsdauern der verwendeten Laserpulse wurden schrittweise vergrößert, um die Dauer der Prozesse in die Größenordnung der Dekohärenzzeit zu bringen. Hierbei wurde beobachtet, dass der Besetzungstransfer durch b-STIRAP mit der Lebensdauer der Kohärenz der Grundzustände abnimmt. Eine Abhängigkeit vom Zerfall des angeregten Zustands konnte nicht gezeigt werden. Die Reduktion des Besetzungstransfers durch diese Zerfälle ist im vorliegenden Medium zu gering, um mit dem hier verwendeten Aufbau experimentell nachgewiesen zu werden. Im Falle von STIRAP konnte keine Abhängigkeit von der Grundzustandskohärenz nachgewiesen werden. Eine geringe Reduktion war erst bei Pulsdauern von über 1ms zu beobachten. Diese Zeit übersteigt die Dekohärenzzeit um das Doppelte. Dieses Verhalten wird gegenwärtig noch nicht von der numerischen Simulation erfasst. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde der zyklische Besetzungstransfer durch STIRAP und b-STIRAP für die experimentelle Realisierung eines durch Remacle et al. vorgeschlagenes Schemas genutzt, das die Herstellung eines rein optischen Volladierers mit kohärenten, adiabatischen Prozessen zum Ziel hat. Zunächst konnte der zyklische Transfer auf ein logisches Gatter – das XOR – übertragen werden. Das Schema zur Implemetierung eines Addierers benötigt die Detektion von Besetzung im angeregten Zustand. Durch die Messung von stimulierter Emission konnte Besetzungsinversion zwischen einem der Grundzustände und dem angeregten Zustand nachgewiesen werden, so dass das Addierglied experimentell verwirklicht werden konnte. Durch die Möglichkeit zur begrenzten zyklischen Anwendung konnte sogar ein Volladdierer gebildet werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
We report on coherent optical data processing by STIRAP, b-STIRAP and EIT-driven light storage in a rare-earth ion doped solid. These media offer narrow line widths and long decoherence times while maintaining the advantages of solid media like high density and good scalability. In this work, we use a praseodymium doped ytrrium-ortho-silicate crystal (Pr:YSO). Information processing in general consists of data storage and the actual data processing by means of logic gates. The first part of this work deals with the optimization of EIT-driven light storage. We hereby focus on the storage time and the storage efficiency. Coherent radio frequency excitation of hyperfine transitions in Pr:YSO serves to optimize the storage time. This enables an increase by almost two orders of magnitude compared to our previous storage times without rf-excitation. Further, we use feedback-controlled pulse shaping to optimize the efficiency of light storage. A learning loop in combination with an evolutionary algorithm permits the automatic determination of optimal temporal profiles of intensities and frequencies in the driving laser pulses (i.e. the probe and coupling pulses). As a main advantage, the technique finds optimal solutions even in complicated level schemes and in spite of even unknown pertubations. The learning loop experimentally determines optimal temporal intensity profiles of the coupling pulses for a given probe pulse. The optimized intensity pulse shapes enhance the light storage efficiency in the doped solid by a factor of 2. The solution differs significantly from the predictions of analytical solutions. We confirm by numeric simulations that these differences indeed result in an increased coherence and therefore in a stronger light storage signal. The learning loop also determines a fast and efficient preparation pulse sequence, which serves to optically prepare the crystal prior to light storage experiments. The optimized preparation sequence is 5 times faster than standard preparation sequences. Moreover, the optimized preparation sequence enhances the optical depth in the medium by a factor of 5. As a consequence, also the efficiency of light storage increases by another factor of 3. Furthermore, the optimized preparation results in an asymmetric shape of the EIT dip which is capable of reducing the group velocity of the probe pulse without the need for a lower coupling Rabi frequency. Our experimental data clearly demonstrate the considerable potential of feedback-controlled pulse shaping, applied to EIT-driven light storage in solid media. The second part of this work deals with cyclic population transfer and the implementation of logic gates by STIRAP and b-STIRAP. We examine the effects of repeated application of laser pulse pairs consisting of a pump and a Stokes pulse (SP-pulses) to the medium. Experiments show coherent population transfer for as many as eight SP-pulses. Further, we examine the effect of decoherence on STIRAP, b-STIRAP by increasing the pulse durations of the involved pulses. We observe a surprising robustness of STIRAP against the decoherence of the ground state. b-STIRAP on the other hand depends more critically on the ground state coherence life time. This phenomenon is not yet fully explained. Further, a dependence of b-STIRAP on the optical lifetime could not be shown. This is attributed to the branching ratios of the involved states. The reduction of population in the target state due to optical decay is in the order of 20%, which could not be resolved by the current setup. We also examine the effects of cyclic application SP-pulses by numerical simulations, showing evidence for a new adiabatic effect for the case of opposite detunings of pump and Stokes laser pulses. Last, we demonstrate the implementation of a basic logic XOR gate by means of cyclic population transfer. Moreover, we derive the logic information for a half adder from the occurrence of stimulated emission from an excited state. This method enables the addition of two SP pulses, encoding the output states of the half adder into a system state and the stimulated emission from an excited state. By cyclic application of the half adder, we are able to demonstrate a full addition by means of STIRAP and b-STIRAP.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Date Deposited: 30 Nov 2010 15:19
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23409
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Halfmann, Prof. Dr. Thomas and Walther, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 10 November 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2340
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