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Preserving Atomic Coherences for Light Storage in Pr3+:Y2SiO5 Driven by an OPO Laser System

Mieth, Simon Robert :
Preserving Atomic Coherences for Light Storage in Pr3+:Y2SiO5 Driven by an OPO Laser System.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Preserving Atomic Coherences for Light Storage in Pr3+:Y2SiO5 Driven by an OPO Laser System
Language: English
Abstract:

This work had three objectives to improve an EIT-based, solid-state memory for light. First, we set up a solid-state-laser system for radiation at the wavelength λ = 606nm, i.e., the optical transition in our storage medium, the rare-earth-ion doped crystal PrYSO. Second, we implemented efficient rephasing of optically driven coherences after EIT-based light storage by means of rapid adiabatic passage (RAP) pulses. Last but not least we implemented a novel coherence population mapping (CPM) protocol in order to shelve fragile atomic coherences in robust and long-lived populations in PrYSO.

Solid-State-Laser System: We developed a solid-state-laser system based on two nonlinear processes, optical parametric oscillation (OPO) and intra-cavity sum-frequency generation (SFG). The system is designed to generate continuous wave output in the orange part of the visible spectrum. OPO and SFG are implemented on a periodically poled lithium niobate crystal (PPLN). The crystal is divided into sections with appropriate poling periods for quasi phase matching of OPO and SFG. In addition, the poling period changes along the crystal height to allow tuning of the OPO-SFG output wavelength. The system provides output in a range between λ = 605nm and λ = 616nm with an output power P > 1W. For light storage experiments, we operate the OPO-SFG at λ = 606nm with a maximum available output power of P = 1.3W. An external Pound-Drever-Hall (PDH) frequency stabilization reduces the laser linewidth to Δν ≈ 60 kHz on a time scale of 100 ms. The OPO-SFG provides stable output for more than 30 hours with a root-mean-square power jitter below 2%. In comparison to a previously used dye laser, the OPO-SFG requires less maintenance, performs more robust against external temperature fluctuations and vibrational noise and allows easier (re-) alignment. It performs slightly better in terms of frequency stability and the two systems are comparable in terms of output power. Dye lasers on the other hand provide a larger tuning range. Future work should include a revised crystal design, i.e., a reversed section order of OPO and SFG on the PPLN crystal. This has been suggested to yield higher efficiency and output stability. In addition, we use three discrete poling periods in the SFG section, whereas the OPO section consists of a fanned poling structure. A double-fanned structure could provide enhanced tunability and help to partially suppress power fluctuations for different output wavelength. In addition, it should be possible to further reduce the laser-frequency linewidth by revising the locking loop or using a higher finesse cavity for the PDH stabilization.

Adiabatic Rephasing of Atomic Coherences: We experimentally implemented rephasing of optically driven coherences in PrYSO by RAP pulses. As a feature of adiabatic pulses, the parameters for RAP are defined in loose boundaries given by the adiabaticity criterion. This makes RAP potentially robust to parameter fluctuations. We experimentally verified this property and showed that rephasing with RAP provides superior performance compared to rephasing with π pulses. In particular, RAP provides enhanced robustness against variations in the Rabi frequency, pulse detuning and spatial inhomogeneity of the driving field. In our specific (3 mm long) PrYSO crystal and for standard experimental parameters, RAP yielded a factor of 1.15 higher rephasing efficiency compared to rephasing with π pulses. This value further increased when we artificially increased experimental imperfections or performed experiments with lower maximum Rabi frequencies. Concluding, RAP provides higher efficiency and more robust performance than π pulses in inhomogeneously broadened media, in the case of low available driving field power and for driving field inhomogeneities. However, RAP pulses typically require longer pulse durations than π pulses. This can cause heating or prevent the use of RAP when fast rephasing is required. An alternative to adiabatic pulses are, e.g., composite pulses or single-shot-shaped pulses. These are investigated in the context of another Ph.D thesis.

Coherence Population Mapping: We implemented a novel CPM protocol to store atomic coherences in long-lived populations in PrYSO. CPM works in any three-state system and does not require complex setups beyond a radiation source to generate a short write and read sequence. As an important feature, CPM stores arbitrary coherences equally well in the populations of a three-state system, i.e., CPM does neither require inhomogeneous broadening, nor is the storage efficiency dependent on the phase of the initial coherence. To our best knowledge, this exhibits a unique feature, which no other coherence population mapping protocol provides. Thus, CPM is an alternative to the stimulated photon echo (SPE), which requires inhomogeneous broadening to map an arbitrary initial coherence onto populations. However, the maximum retrieval efficiency with CPM is 1/3 of the initial coherence amplitude (and 1/2 with SPE). We experimentally verified the main characteristics of both protocols with RF driven mapping sequences and RF induced initial coherences. Our results confirm phase-insensitive storage with CPM and storage times reaching the minute regime, i.e., the population relaxation time. We also tested CPM in combination with EIT-based light storage. However, we obtained retrieval efficiencies below 1% and we observed reduced storage durations (for both SPE and CPM) compared to our previous experiments with RF induced coherences. A major contribution to the reduced efficiency is due to the fact that light storage works in a specific ensemble in the inhomogeneously broadened optical line in PrYSO. Our specific CPM (and SPE) pulses on the other hand couple to more ensembles and cause enhanced absorption for the retrieved signal. Future work should thus focus on the implementation of optical CPM to address only the ensemble used for light storage. Regarding a reduced storage duration, we could not yet find an explanation and suggest to implemented CPM in different storage media to further investigate the limitation of storage duration.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation ist thematisch auf dem Gebiet der Quanten- Informationsverarbeitung angesiedelt. Von Quanteninformation und deren Verarbeitung spricht man, wenn die zugrunde liegenden Wechselwirkungsmechanismen maßgeblich durch die Gesetze der Quantenmechanik bestimmt werden. Ein vielversprechender Ansatz zur Quanten-Informationsverarbeitung ist die Wechselwirkung zwischen Quantensystemen und Licht als effizientem Informationsträger. Zukünftige Kommunikations- und Rechennetzwerke benötigen daher Quanten-Speicher für optische Information. Diese Arbeit ist Teil eines Projektes, das die Entwicklung und Optimierung eines solchen Quanten-Speichers für Licht zum Ziel hat. Als Speichermedium dient dabei der Seltenerd-dotierte Kristall PrYSO. Seltenerd-dotierte Kristalle besitzen schmale homogene Linienbreiten, die mit denen von Gasen vergleichbar sind. Gleichzeitig eignen sie sich als Festkörper aufgrund leichter Handhabung auch für den Einsatz außerhalb des Laborbetriebes. Zur Speicherung von Licht manipuliert ein Kontroll-Laser die dispersiven und absorptiven Eigenschaften des Speichermediums derart, dass es für einen Daten-Lichtpuls zunächst transparent wird. Dieser Effekt wird elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) genannt. Mittels EIT ist es dann möglich, den Lichtpuls vollständig im Medium zu stoppen und in eine Vielzahl aus Überlagerungen atomarer Zustände zu übertragen. In dieser atomaren Kohärenz ist der volle Quantenzustand des Lichtpulses gespeichert und kann zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden. Die maximal mögliche Speicherzeit für einen Lichtpuls ist dabei durch die Lebensdauer der atomaren Kohärenz, der Dekohärenzzeit gegeben. Diese ist durch verschiedene Mechanismen limitiert und liegt typischerweise deutlich unter ihrem theoretischen Maximum, dem zweifachen der Besetzungs-Lebensdauer. In PrYSO liegt die Dekohärenzzeit zunächst im Bereich weniger 10 μs. Der Grund hierfür ist die Dephasierung einzelner Kohärenzen, welche durch die inhomogene Verbreiterung des Kohärenzübergangs verursacht wird. Dephasierung führt zu destruktiver Interferenz und verhindert so ein Auslesen der optischen Information. Mittels gepulster, magnetischer Wechselfelder kann dieser Effekt kompensiert werden. Hierzu werden meist π Pulse verwendet, deren Parameter klar definiert sind und deshalb präzise kontrolliert werden müssen. In dieser Arbeit wurden hingegen adiabatische Pulse zur Rephasierung verwendet, deren Parameter ohne Effizienzverlust in einem breiteren Bereich variiert werden können. Die Grenzen sind lediglich lose durch ein sogenanntes Adiabasiekriterium definiert. In Kapitel 4 wurde gezeigt, dass die Rephasierung atomarer Kohärenzen mittels des adiabatischen Pulses "rapid adiabatic passage" (RAP) deutlich robuster ist als die Rephasierung mittels π Pulsen. In einer Reihe systematischer Messungen wurde gezeigt, dass dies insbesondere bei geringer verfügbarer Leistung für die Rephasierungspulse oder räumlichen Inhomogenitäten des magnetischen Wechselfeldes der Fall ist. In einem typischen Experiment wurde mit RAP im Vergleich zum Einsatz von π Pulsen die Speichereffizienz um 15% gesteigert. Dieser Wert erhöht sich weiter, sobald Feldinhomogenitäten zunehmen oder die Leistung des Magnetfeldes auf geringere Werte limitiert ist. Nach erfolgreicher Rephasierung beträgt die Dekohärenzzeit in PrYSO etwa 500 μs, ein Wert der immer noch deutlich unter der Besetzungslebensdauer im Bereich mehrerer 10 s liegt. Die Ursache hierfür ist eine fluktuierende Kristallumgebung, die zu stochastischen Phasenänderungen einzelner Kohärenzen führt. Eine gängige Strategie zur Minimierung dieses Effektes ist der Einsatz präzise gewählter statischer Magnetfelder und einer Vielzahl hochfrequenter Magnetfeldpulse. So wurden bereits Dekohärenzzeiten im Bereich von einer Minute erreicht, die Speicherexperimente werden gleichzeitig aber komplex und schwer handhabbar. Kapitel 5 stellt eine alternative Technik zur Verlängerung der Speicherzeit vor. Sie basiert auf der Übertragung der Kohärenzinformation in eine langlebige Besetzungsverteilung (englisch: coherence population mapping, kurz CPM). Durch eine kurze Lese- und Schreibsequenz werden Amplitude und Phase der Kohärenz auf eine Besetzungsverteilung in einem Dreiniveausystem übertragen und wieder ausgelesen. Die Speicherzeit ist dabei nur noch durch die Lebensdauer der Besetzungen begrenzt. Das neuartige CPM Protokoll hebt sich dabei von dem bekannten stimulierten Photonenecho ab, welches zwingend ein inhomogen verbreitertes Medium benötigt um eine Kohärenz unabhängig von ihrer Phase zu speichern. Die Information ist hierbei unterschiedlich auf eine Vielzahl von Einzelsystemen verteilt. CPM hingegen speichert die volle Information in einem einzelnen Dreiniveausystem bzw. in jedem atomaren System innerhalb des Speichermediums gleichwertig. Eine Speicherung ist dann in homogen und inhomogen verbreiterten Speichermedien unabhängig von der Kohärenzphase möglich. Innerhalb dieser Arbeit konnten die genannten Merkmale von CPM erstmals experimentell bestätigt werden. Atomare Kohärenzen, die mittels magnetischer Wechselfelder präpariert wurden, konnten so bis in den Bereich einiger Minuten gespeichert werden. In Kombination mit EIT basierter Lichtspeicherung wurde bisher aber nur eine geringe Speichereffizienz erreicht und Licht lediglich bis zu einer halben Sekunde gespeichert. Die Ursache hierfür ist noch nicht abschließend geklärt und Kapitel 5 beinhaltet auch Vorschläge für weiterführende Untersuchungen. Das dritte Ziel dieser Arbeit war der Aufbau und die Implementierung eines Festkörper-Lasersystems zur Kopplung des relevanten optischen Übergangs in PrYSO bei λ = 606nm (s. Kapitel 2). Strahlung bei dieser Wellenlänge wurde bisher von einem Farbstofflaser erzeugt. Diese Systeme erfüllen die Anforderungen hoher Ausgangsleistung und guter Frequenzstabilität, jedoch sind dafür komplexe optische Resonatoren und ein hoher Wartungsaufwand nötig. Farbstofflaser eignen sich daher nur bedingt für (zukünftige) Anwendungen außerhalb des Laborbereichs. Im Rahmen dieser Arbeit wurde mit der Firma Aculight ein Lasersystem entwickelt und aufgebaut, das mittels optisch parametrischer Oszillation und Summenfrequenzmischung Strahlung bei λ = 1064nm in sichtbare Strahlung im Bereich um λ = 606nm konvertiert. Dieses System zeichnet sich durch eine kompakte und robuste Bauweise aus, auch weil beide Frequenzmischprozesse auf einem einzigen, periodisch gepolten Lithiumniobat Kristall implementiert sind. Dabei sorgen Bereiche bestimmter periodischer Polung für die quasi Phasenanpassung der entsprechenden Mischprozesse. Das spezielle Design der Polungsstruktur auf dem Kristall erlaubt Ausgangsstrahlung in einem Wellenlängenbereich von λ = 605nm bis λ = 616nm mit über 1 W Ausgangsleistung. Durch eine externe Pound Drever Hall Stabilisierung wird die Frequenz des Lasersystems auf eine Linienbreite von unter 100 kHz stabilisiert. Damit wurde während dieser Arbeit der EIT basierte Festkörper-Speicher zu einem reinen Festkörperexperiment ausgeweitet, in dem mit geringem Aufwand Speicherzeiten für atomare Kohärenzen bis in den Minutenbereich demonstriert wurden.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: EIT, Lichtspeicherung, Laserentwicklung, Adiabasie, Quantenoptik, nichtlineare Optik, Seltene Erden, PrYSO, Informationsverarbeitung, Dekohärenz, optische Datenspeicherung, elektromagnetisch induzierte Transparenz, Kohärenzzeit, Stimuliertes Photonenecho, Praseodym, Raman Heterodyn Spektroskopie, Spinecho
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
EIT, stored light, laser, nonlinear optics, adiabatic, quantum optics, rare-earth, PrYSO, coherence, decoherence, information processing, electromagnetically induced transparency, stimulated photon echo, coherence time, coherence population mapping, praseodymium, raman heterodyne spectrumEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 20 Jan 2016 14:29
Last Modified: 20 Jan 2016 14:29
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52348
Referees: Halfmann, Prof. Dr. Thomas and Walther, Prof. Dr. Thomas and Walser, Prof. Dr. Reinhold and Vogel, Prof. Dr. Michael
Refereed: 16 November 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5234
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