Grundlagen der elektromagnetisch induzierten Transparenz Im Rahmen des Seminars: Quanten- und nichtlineare Optik

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1 Grundlagen der elektromagnetisch induzierten Transparenz Im Rahmen des Seminars: Quanten und nichtlineare Optik 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 1

2 Überblick Wie Materie und Licht reagieren Wann ist ein Material transparent? Welche Folgen kann induzierte Transparenz haben? Experimente 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 2

3 Motivation Wie könnte man... Zur Erinnerung:... einen optischen Transistor bauen? [de.wikipedia.com] 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 3

4 Wie verhält sich Licht im Vakuum? Nutze Maxwellgleichungen Elektrische Quellen Magnetische Quellen Induktionsgesetz [physikaufgaben.de] [de.wikipedia.com] Amperésches Gesetz Wellengleichung [ 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 4

5 Was passiert im Medium? Führe Medium über Polarisation ein P ist die Reaktion des Mediums 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 5 Mediums

6 Wann ist ein Medium transparent? Polarisation elektrische Suszeptibilität Komplexe Brechzahl [ Brechungsindex Absorption 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 6

7 Eigenschaften des EIT Mediums 3 Niveau System Ein Kopplungslaser, der Zustand 2 und 3 koppelt. Ein Nachweislaser, der durch das Medium propagiert Keine Übergänge zwischen 1 und 2 Zustände 1 und 2 sind metastabil 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 7

8 Wie bestimmt man die Polarisation? Polarisation ist gegeben durch: Wellenfunktion stellt Überlagerung der Zustände dar In der Polarisation erhält man: Dichtematrixelement 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 8

9 Die Dichtematrix Dichtematrix ist definiert: Nebendiagonalen: atomare Kohärenzen Hauptdiagonale: atomare Zustände Liouville von Neumann Gleichung Störung modelliert Zerfälle Beschreibt die Dynamik der Dichtematrix 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 9

10 Brechungsindex und Dichtematrix Ohne Kopplungslaser Mit Kopplungslaser 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 10

11 Eine anschauliche Erklärung Kopplungslaser spaltet 2 und 3 auf Der Nachweislaser versucht an beide Unter niveaus von 3 anzukoppeln Die Unterniveaus werden gegenphasig angeregt Destruktive Interferenz tritt auf und verhindert eine Anregung von 3 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 11

12 Einfluss des Kopplungslasers Rabifrequenz des Kopplungslasers hängt von der Intensität ab Breite des Transparenzfensters kann mit der Laserintensität reguliert werden 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 12

13 Einfluss des Kopplungslasers II Für kleine Rabifrequenzen des Kopplungslasers Brechungsindex verändert sich linear um 0 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 13

14 Verstimmung des Kopplungslasers Verstimmung des Kopplungslasers bei konstanter Rabifrequenz Verstimmung der Kopplungsfrequenz verschiebt Absorptionsminimum 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 14

15 Skizzierter Aufbau für ein EIT Experiment Nachweislaser EIT Medium Kopplungslaser Der Kopplungslaser umschließt den Nachweislaser räumlich und zeitlich. 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 15

16 Das erste EIT Experiment Erste experimentelle Demonstration in Strontiumdampf ND:YAG Seed Laser Frequenzverdoppelt Farbstofflaser Nachweislaser Kopplungslaser Strontiumdampfzelle Detektor 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 16

17 EIT in Strontiumdampf Ohne Kopplungslaser Mit Kopplungslaser Transmission Nachweislaser Verstimmung in cm 1 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 17 [Boller, Physical Review Letters 66,20]

18 EIT im Kristall Aufbau Kryostat bei 5K Pr:YSO Kristall Kontrolllaser Nachweislaser Beide Strahlen entstammen einem Farbstofflaser (606nm, linear polarisiert). Die unterschiedlichen Anregungen werden mithilfe von AOMs erreicht. 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 18

19 EIT im Pr:YSO ΛSystem EIT Dip im Absorptionsspektrum 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 19 [Beil, Journal of Physics 41,2008 ]

20 EIT im Pr:YSO VSystem EIT Dip im Absorptionsspektrum 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 20 [Beil, Journal of Physics 41,2008 ]

21 EIT im Leiter System Detektor 775 nm Diodenlaser 76mm 85 Rb 780 nm Diodenlaser Rubidium85Dampf bei Raumtemperatur 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 21

22 Kopplung in Resonanz und außer Resonanz Bel. Einheiten Bel. Einheiten [Gea Banacloche, Physical Review Letters 51,1] Kopplungslaser in Resonanz Kopplungslaser außerhalb Resonanz 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 22

23 EIT mit einzelnen Atomen 0,5µm Resonatorspiegel Nachweislaser Detektor Kopplungslaser 87 Rb Atome in der Falle 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 23

24 Transmission durch Atomfalle 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 24 [Martin Mücke, Nature Letters Vol 465]

25 Der optischer Transistor [ 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 25

26 Zusammenfassung Es ist möglich, die optischen Eigenschaften eines Materials gezielt zu manipulieren Klassische Analoga: getriebenes, gekoppeltes Pendel und getriebener, gekoppelter Schwingkreis Zur Kontrolle sind lediglich 2 Laser und ein geeignetes Niveauschema nötig Das Verfahren ist äußerst robust Die Veränderung der optischen Eigenschaften eröffnet neue Möglichkeiten: Slow Light, Stored Light, Frequenzkonversion, Transparenz, Bauelemente für Quantencomputer, [..] 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 26

27 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 27

28 Quellen [1] Halfmann, Habilitationsschrift [2] Boller, Physical Review Letters 66,20 [3] Beil, Physical Review Letters 41, 2008 [4] Mücke, Nature Letters Vol June 2010 [5] Gea Banacloche, Physical Review Letters 51,1 [6] Martin Mücke, Nature Letters Vol 465 [7] Harris, Physics Today July 1997 [8] Fleischhauer, Physical Review 77,633 (2005) [9] Halfmann, Handbook of Optics [10] Halfmann, Moderne Optik Skript 1. Dezember 2010 Institut für Angewandte Physik Seminar Quanten und nichtlineare Optik Christian Wenski 28

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