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Stationäre Lichtpulse und Lichtspeicherung in einem eindimensionalen kalten atomaren Ensemble hoher optischer Dichte

Blatt, Frank :
Stationäre Lichtpulse und Lichtspeicherung in einem eindimensionalen kalten atomaren Ensemble hoher optischer Dichte.
[Online-Edition]
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Dissertation Frank Blatt 2016.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Stationäre Lichtpulse und Lichtspeicherung in einem eindimensionalen kalten atomaren Ensemble hoher optischer Dichte
Language: German
Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit sollte eine starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie erreicht werden. Diese ist notwendig für effiziente lineare und nichtlineare optische Effekte, wie sie für zukünftige optische Quanten-Netzwerke und Quanten-Simulationen erforderlich sind. Hierfür wurde ein eindimensionales Medium extremer optischer Dichte (OD) erzeugt. Das verwendete Rubidium-87 erzielte innerhalb einer Hohlfaser eine OD von 1000 auf einem offenen Übergang. Dieses Medium sollte auf der Basis von EIT kohärente Effekte wie Lichtspeicherung und stationäre Lichtpulse (SLPs) ermöglichen, welche in Quanten-Netzwerken Verwendung finden sollen. Diese Effekte wurden in dieser Arbeit erstmalig in einem solchen eindimensionalen Medium hoher OD realisiert. Dabei wurden auch die besonderen Eigenschaften eines Mediums hoher OD insbesondere aufgrund nicht-resonanter Übergänge untersucht.

Zur Überprüfung der Messergebnisse wurden diese mit einer numerischen Simulation verglichen. Diese berücksichtigt nicht nur die Absorption der nicht-resonanten Übergänge, sondern auch die räumlich inhomogene Verteilung der Atome innerhalb der Faser sowie die Gauß-förmige Intensitätsverteilung der verwendeten Laserstrahlen. Dies war notwendig, um die Transmission durch das Medium und Auswirkungen auf die Gruppengeschwindigkeit im Medium korrekt zu simulieren, die sich deutlich von den sonst üblichen Fällen mit homogenem Medium unterscheiden. So tritt aufgrund des räumlich unterschiedlich starken Kontrollfeldes auch räumlich unterschiedliche Transmission unter EIT auf. Dies führt zu einer inhomogenen Verbreiterung und damit Reduzierung der Gesamttransmission.

Zur experimentellen Umsetzung wurde eine bestehende magneto-optische Falle (MOT) zum Kühlen und Fangen von Rubidium-87 mit asymmetrischer Form verwendet. Die asymmetrische Form führte zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Atome in transversaler und longitudinaler Richtungen, was mittels Flugzeit-Messungen und temperaturabhängigem EIT mit gegenläufigen Strahlen gemessen wurde. Die MOT wurde um eine photonische Kristall-Faser mit Hohlkern (HCPCF) erweitert. Hierfür wurde eine Halterung mit Möglichkeiten zur Ausrichtung der Faser und ein System aus Optiken zur Ein- und Auskopplung von Laserstrahlen konstruiert. Zur Führung der Atome aus der MOT zur HCPCF wurde ein optischer Trichter auf Basis einer Dunkelpunkt-MOT erzeugt. Zur Steigerung der Transfereffizienz wurde eine Verschiebung der Wolke aus kalten Atomen mittels Magnetfeldern ergänzt. Zum Transfer in die Faser und zur Führung innerhalb des Hohlkerns wurde eine optische Dipolfalle implementiert. Das dafür verwendete Lasersystem wurde auf eine ausreichende Leistung und Frequenzstabilität untersucht. Dabei zeigte ein Betrieb mit zwei longitudinalen Moden eine Verbesserung der Transfereffizienz um einen Faktor 2–5. Mit der Kombination dieser Techniken wurden erfolgreich kalte Rubidiumatome von der MOT in den Hohlkern geladen. Zum Nachweis der Atome wurde deren Anzahl in der HCPCF mittels optischem Pumpen bestimmt und es wurden Transmissionsspektren aufgenommen. Diese belegen eine Anzahl von ca. 3∙10^5 Atomen und eine OD von bis zu 1000 in der Faser. Die erreichte Transfereffizienz von bis zu 5% liegt eine Größenordnung über dem Wert in früheren Ansätzen.

Die verwendete HCPCF stellte sich als stark doppelbrechend heraus, was die Polarisation des transmittierten Lichts bereits auf den Abmessungen der Atomwolke deutlich verändert und daher das ursprünglich geplante EIT zwischen Zeeman-Zuständen unmöglich machte. Deshalb wurde ein polarisationsunabhängiges Kopplungsschema zwischen Hyperfein-Zuständen gewählt. Die beiden dafür nötigen Lasersysteme wurden mithilfe einer ebenfalls auf EIT basierenden Stabilisierungstechnik in Frequenz und Phase aufeinander stabilisiert. Das System wurde zunächst erfolgreich an Atomen außerhalb der HCPCF getestet.

Dann wurden innerhalb des Mediums hoher OD die Bedingungen für EIT erzeugt, um einem schwachen Nachweisfeld eine Propagation mit reduzierter Absorption zu ermöglichen. Dabei wurden die starken Einflüsse der nicht-resonanten Übergänge auf Höhe und Position des Transmissionsfensters durch den Stark-Effekt untersucht. Die Ergebnisse ließen sich mit der Simulation bestätigen und zeigen die besonderen Eigenschaften des räumlich inhomogenen Mediums hoher OD in Form einer reduzierten Transmission. Dies ist die erste Realisierung von EIT bei OD > 30 in solch einem eindimensionalen Medium innerhalb einer Hohlfaser.

Danach wurde die Verzögerung von Lichtpulsen durch das Medium hoher OD aufgrund reduzierter Gruppengeschwindigkeit (langsames Licht) untersucht. Dies diente der einfachen Bestimmung der OD und dem Auffinden geeigneter Parameter der OD und der Kontroll-Rabi-Frequenz für Lichtspeicherung und SLPs. Dabei konnte ein Lichtpuls bis um das Doppelte der Pulslänge verzögert werden, was sicherstellte, dass sich nahezu der gesamte Puls im Medium befand. Die nicht-resonanten Übergänge begrenzten dabei die erreichbare Transmission. Die Verzögerung der Lichtpulse entsprach aufgrund der inhomogenen Verbreiterung nicht den bekannten Werten in homogenem Medium, konnte aber mit der Simulation richtig beschrieben werden. Die hier gezeigten Experimente mit langsamem Licht stellen die erste Untersuchung bei OD > 30 im eindimensionalen Medium dar.

Als nächstes wurden Lichtpulse im Medium als kohärente Überlagerung von Spin-Zuständen gespeichert. Diese Lichtspeicherung in einem atomaren Ensemble ist in später geplanten möglichen Anwendungen als Quanten-Speicher und Quanten-Repeater von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wurde dabei eine absolute Speichereffizienz von 23 % erreicht. Wie Simulationsergebnisse zeigen, wäre ohne die Absorption durch nicht-resonante Übergänge eine höhere Effizienz möglich. Die im Experiment erreichte relative Effizienz von 60% (Anteil des langsamen Lichts, der gespeichert und wieder ausgelesen wurde) zeigt das theoretisch hohe Potential des Mediums als Quanten-Speicher. Es konnten Pulse für Speicherzeiten von bis zu 2,9 µs gespeichert werden, wobei hier neben der Dekohärenz besonders experimentelle Grenzen die messbare Zeit eingrenzten. Die Beschränkung der Speichereffizienz durch Zerfälle ist hauptsächlich durch die Bewegung der Atome gegeben. Hier ist also eine weitere Optimierung durch Kühlung der Atome möglich. Die hohe Absorption durch die nicht-resonanten Übergänge und der experimentell bedingte Untergrund durch den starken, kollinearen Kontrollstrahl begrenzten die verwendeten Nachweispulse auf ≥ 70 Photonen. Die gezeigte Lichtspeicherung stellt die erste Realisierung innerhalb einer Hohlfaser dar.

Schließlich wurden im Medium stationäre Lichtpulse erzeugt. Diese sind nur bei hoher OD möglich und können zukünftig starke Wechselwirkungen zwischen einzelnen Photonen und eine erhöhte Wechselwirkungsdauer ermöglichen. Wie in früheren Experimenten gezeigt, erfordern SLPs in kalten Atomen eine Verstimmung zwischen den gegenläufigen Kontrollfeldern. Dies konnte hier nicht nur bestätigt werden, es zeigte sich auch, dass bei einem eindimensionalen Medium zusätzlich eine geringe Zweiphotonenverstimmung zwischen Nachweis- und Kontrollfeld zur Phasenanpassung erforderlich ist. Die erreichte Effizienz von 2,8(6)% liegt leicht unter früheren Realisierungen (ca. 5%), ist aber neben der nicht-resonanten Absorption zum Teil auf die räumlich stark inhomogenen EIT-Transmissionen aufgrund der dauerhaft aktiven Kontrollfelder zurückzuführen. Da ein direkter Nachweis der SLPs innerhalb der HCPCF noch nicht möglich ist, wurde das detektierte Signal nicht nur mit dem Signal von langsamem Licht bei gleichen Bedingungen verglichen, sondern auch mit einer Simulation überprüft. Diese zeigte gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten und sagt das Vorhandensein eines Lichtfeldes im Medium in der relevanten Zeit voraus. Eine Abhängigkeit des Signals von der Verstimmung der Kontrollfelder und der SLP-Dauer bestätigte ebenfalls die Existenz von SLPs. Dies ist die erste Realisierung von SLPs in einem eindimensionalen Medium.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Strong interaction between light and matter is essential for achieving large efficiencies for linear storage of a light pulse in an atomic ensemble by using electromagnetically induced transparency (EIT) and gradient-echo techniques. The latter offer promising approaches for the realization of quantum repeaters in future quantum networks. Strong interaction also allows strong nonlinear processes, as needed for quantum nonlinear optics. In this regime stationary light pulses (SLPs) can mediate interaction between individual photons via coupling through the medium. This would enable all-optical quantum networks, the creation of strongly-correlated light-matter systems leading to repulsive forces between photons (fermionization of photons), single-photon switches, or the simulation of relativistic theories by means of photons. We can characterize the linear interaction by the optical depth OD = –ln(T) with the resonant transmission T. The nonlinear processes require the simultaneous interaction of an atom with multiple photons, parametrized by the OD per atom. We can achieve this by a strong transverse confinement of the interaction region, leading to a good matching of the atomic absorption cross section with the light mode. This thesis reports on the implementation of a one-dimensional cold medium with an extreme OD of 1000 by transferring Rubidium 87 atoms into a hollow-core photonic crystal fiber. We demonstrated the effects EIT, slow light, light storage, and SLP for the first time inside such a medium. We also investigated characteristics of the medium including off-resonant absorption. In addition to the experimental work, we used a numerical simulation to compare the experimental results with theoretical predictions. Besides off-resonant absorption, the simulation also accounted for the spatially inhomogeneous density distribution of the atoms and the Gaussian-shaped intensity distribution of the light beams inside the fiber. This was important in order to simulate correctly the actual transmission and the effects of these inhomogeneous distributions on the group velocity inside the medium. Due to the spatially-varying control field, a spatially-varying EIT transmission led to inhomogeneous broadening of the transmission window and reduced total transmission. We used an existing asymmetric magneto-optical trap (MOT) for cooling and trapping Rubidium 87 atoms for the experiments. Measurements of the temperature by the time-of-flight method and by studies of EIT with counter-propagating beams revealed that the asymmetric geometry led to different velocities of the atoms in transvers and longitudinal directions. We installed a hollow-core photonic crystal fiber (HCPCF) inside the MOT after the construction of a special mount, which allowed for exact orientation of the fiber and construction of the optical system for coupling the light into and out of the fiber. In order to guide the atoms from the MOT towards the fiber, we used an optical funnel using the dark-spot technique. By additionally moving the center of the MOT for moving the whole cloud of atoms increased the transfer efficiency. Next, we added an optical dipole trap for guiding the atoms to and inside the core of the fiber. We characterized the applied laser system with respect to its power and frequency stability. As a result, the superposition of two longitudinal modes led to an increase of the transfer efficiency of a factor of up to 5. Finally, the combination of these techniques successfully transferred cold Rubidium 87 atoms into the HCPCF. Atom counting by optical pumping and measurements of the transmission spectrum showed that we had 3⨯10^5 atoms inside the HCPCF and an OD of as much as 1000. The achieved transfer efficiency of 5% is one order of magnitude higher than the one presented in previous approaches. Despite this significant improvement in experimental technique, the used HCPCF showed significant birefringence, which modified the polarization of the transmitted light on length scales of the atomic distribution. This made it impossible to create EIT between different Zeeman levels as originally planned. Therefore, it was necessary to find a coupling scheme between hyperfine levels that worked independently of the polarization. The chosen scheme required the use of two separate laser systems, which we locked on each other in frequency and phase by using a stabilization via EIT. The creation of EIT outside the HCPCF confirmed the functional capability of the system. EIT then allowed a weak probe beam to propagate through the medium of high OD inside the HCPCF with reduced absorption. Thereby, we investigated the influence of the off-resonant transitions on the transmission and on the frequency shifting of the transmission window due to the Stark effect. The simulation confirmed the achieved results and showed the special characteristics of the inhomogeneous medium causing reduced transmission. This was the first realization of EIT at OD > 30 inside such a one-dimensional medium inside a HCPCF. Next, we investigated the transmission of a light pulse traveling through the medium of high OD and its delay due to reduced group velocity (slow light). This approach offered a simple way to determine the OD and find the best parameters of OD and control Rabi frequency for the subsequent experiments of light storage and SLPs. First, a short light pulse was delayed by up to two times the pulse length. This guaranteed that nearly the complete pulse was present inside the medium with off-resonant absorption remaining the main factor that limited the transmission. Due to the inhomogeneous broadening, the achieved delay was different from that usually achieved by a homogeneous medium, but the simulation agreed with the experimental results. The experiments represent the first investigation on slow light for OD > 30 in a one-dimensional medium. As a next step, we stored the light pulse inside the medium in a collective atomic excitation. This demonstration of light storage is important for the future use of the medium as a quantum memory. In this thesis the absolute storage efficiency reached 23%. Additionally, our simulation shows that higher efficiencies would be possible without the off-resonant absorption. Moreover, the high relative efficiency of 60% (part of the delayed light pulse that we stored and retrieved) shows the theoretically high potential of the medium for the use as a quantum memory. The storage time of the pulse reached 2.9 µs, limited mainly by decoherence and technical reasons. The decoherence process originated mostly from the atomic motion, i.e., cooling the atoms can in principle increase the efficiency further. The off-resonant absorption and the background from the collinear control beam limited the used probe pulse to ≥ 70 photons. The presented experiment is the first realization of light storage inside a HCPCF. Finally, we created a stationary light pulse inside the medium. This is only possible at high OD and offers strong interaction between individual photons. Recent experiments showed that a relative detuning between the two control fields is necessary in order to apply SLPs in cold atoms. We confirmed this in this thesis. Additionally, it turned out that a small two-photon detuning between the probe and control field is necessary for phase matching. The achieved efficiency of 2.8(6)% is slightly smaller than the result achieved in previous realizations (approx. 5%). Besides off-resonant absorption, the spatially inhomogeneous EIT transmission is another factor that limits the efficiency. Since a direct proof of the SLP inside the HCPCF is not possible, we compared the result both to the signal of a simply delayed pulse, and to a simulation. The former showed a clear difference from a simply delayed pulse for the measurement. The latter showed good agreement with the measured data while predicting the presence of a light field inside the medium when both control fields are active. This experiment represents the first realization of SLPs inside a one-dimensional medium.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: stationäre Lichtpulse, Quantenoptik, quanten-nichtlineare Optik, nichtlineare Optik, Quantencomputer, Quanten-Informationsverarbeitung, optische Datenspeicherung, starke Licht-Atom-Wechselwirkung, Lichtspeicherung, gestopptes Licht, gespeichertes Licht, Speichereffizienz, Einzelphotonenpulse, langsames Licht, Quantenspeicher, optische Dichte, ultrakalte Atome, Laser, Laserkühlung, elektromagnetisch induzierte Transparenz, EIT, Dunkelzustandspolariton, Dunkelpunkt-MOT, Dunkelzustandsschwebung, Rubidium, Magnetfeld, Hyperfeinniveaus, optische Dipolfalle, Bandlücken-Faser, photonische Kristall-Faser mit Hohlkern, HCPCF, Dekohärenz, dopplerfreie Sättigungs-Absorptions-Spektroskopie, Flug-Relaxations-Rate, Flugzeitmessung, Gruppengeschwindigkeit, Magneto-optische Falle, MOT
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
stationary light pulses, quantum optic, quantum nonlinear optic, nonlinear optic, quantum computer, quantum information processing, optical data storage, strong light matter interaction, light storage, stopped light, stored light, storage efficiency, single photon pulse, slow light, quantum memory, optical density, ultracold atoms, laser, laser cooling, electromagnetic induced transparency, EIT, dark state polariton, dark-SPOT, dark state beating, Rubidium, magnetic field, hyperfine levels, optical dipole trap, bandgap fiber, hollow-core photonic-crystal fiber, HCPCF, decoherence, Doppler free saturation absorption spectroscopy, transit relaxation rate, time of flight measurement, group velocity, magneto-optical trap, MOTEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Nonlinear Optics/Quantum Optics
Date Deposited: 18 Nov 2016 13:31
Last Modified: 18 Nov 2016 13:31
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5614
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URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-56149
Referees: Halfmann, Prof. Dr. Thomas and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 11 July 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5614
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