Effiziente Frequenzkonversion mit EIT. Seminar für Quantenoptik und nichtlineare Optik

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1 Effiziente Frequenzkonversion mit EIT Seminar für Quantenoptik und nichtlineare Optik

2 Gliederung 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 2

3 Motivation 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 3

4 Die Wellengleichung in Materie 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 4

5 Die Wellengleichung in Materie 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 5

6 Die Rolle der Polarisation 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 6

7 Nichtlineare Korrekturen 2-ter Ordnung Frequenzverdopplung Summen / Differenz Frequenzen Frequenzsplitting 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 7

8 Nichtlineare Korrekturen 3-ter Ordnung Vier-Wellen-Mischung 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 8

9 Frequenzkonversion mit Doppelbrechung gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 9

10 Frequenzkonversion mit Doppelbrechung a) Unt. Brechungsindex außer-/ ordentlicher Strahl b) Ord. Strahl senkrecht zur opt. Achse polarisiert Einstrahlung ordentlicher Strahl unter Winkel zur opt. Achse 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 10

11 Konversionseffizienz Phasenanpassung Pumpwellen Urea-Kristall Effiziente Konversion mittels Leistungsüberhöhung der Siganlwelle möglich aber Adsorptionskante für VUV bei ca. 200 nm aber Phasenanpassung für kurze Wellenlängen nicht möglich a) Phasenanpassungsbedingung erfüllt b) Transparenz des Kristalls (geringe Adsorption) c) Robustheit ggü. intensiver Laserstrahlung 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 11

12 Wiederholung EIT mit 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 12

13 Wiederholung EIT mit 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 13

14 Wiederholung EIT Regelung über mit Kohärenzen 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 14

15 Suszeptibilitäten a) keine Dispersion Phasenanpassung erfüllt c) konst. konst. Interferenz Erzeugung der Welle mögl. b) keine Absorption 2 Bedingung erfüllt d) Inversionssym. Medium 3 Felder für Anregung notw. 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 15

16 Suszeptibilitäten 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 16

17 Nutzung dieser Eigenschaften Umsetzung: C.Dorman, I.Kucukkara, J.P Marangos (2000) VUV nm, Efficienz ca. Probleme: dadurch geringer Quanteninterferenzen durch generiertes Feld Zerfall der Kohärenz (Phasenanpassung) 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 17

18 Erinnerung QM-Polarisation Polarisation maximal wenn Kohärenz maximal Kohärenz als lokaler Oszillator Gleicher QM-Zustand vieler Atome durch dunkel Zustand Effiziente Vierwellenmischung möglich 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 18

19 Alternative Erklärung 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 19

20 Alternative Erklärung Suszeptibilitäten von gleicher Größenordnung Effiziente Vierwellenmischung möglich 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 20

21 Umsetzung der neuen Idee 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 21

22 Experimentelle Umsetzung C- /P- Laser: Ti:Saphir frequenzkonvertiert 39/22 ns Erzeugungslaser 21ns Bleidampf bei Längendichte Produkt bei Erzeugung: UV 293 nm Gesamteffizienz bei 2,3% 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 22

23 Ergebnisse 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 23

24 Experimentelle Umsetzung Bleidampf bei Längendichte Produkt FR= Fresnel-Prisma PB = Pelin-Borca Prisma BC = Strahlkombinierer PD= Photodiode HP= Heat Pipe Erzeugung : VUV 186 nm Hyperfine Niveaus benutzt 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 24

25 Ergebnisse 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 25

26 Zusammenfassung 1. Frequenzkonversion wegen Adsorption mit doppelbrechenden Kristallen nicht möglich 2. Direkte Ausnutzung von EIT zur Frequenzkonversion möglich aber nicht besonders Effizient 3. Effiziente Implementierung über EIT mit vollständig kohärenten Zustand als lokalem Oszillator 4. Konversionseffizienz von 100% des konvertierten Strahls ist erreichbar 5. Es gibt bessere Methoden vollständige Kohärenz zu präparieren z.b. SCRAP etc. vgl. Homepage AG Halfmann 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 26

27 Quellenangaben 1. T. Halfmann and J.P. Marangos, Electromagnetically Induced Transparency, Handbook of Optics Vol. IV, Optical Society of America, McGraw-Hill Publ. Co. (2009) 2. T. Halfmann Moderne Optik Skript 3. M. Oberst, Effiziente Frequenzkonversion und Besetzungstransfer in kohärent präparierten Medien, Doctoral Thesis 4. M. Jain et al., Efficient Nonlinear Frequency Conversion with Maximal Atomic Coherence, Phys. Rev. Lett. 77, 4326 (1996) 5. A. J. Merriam et al., Efficient gas-phase generation of coherent vacuum ultraviolet radiation, Optics Letters 24, 625 (1999) 6. M. Fleischhauer et al., Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media, Rev. Mod. Phys. 77, 633 (2005) 7. C.Dorman, I.Kucukkara, J.P Marangos, Measurement of High Conversion Efficiency to 123,6 nm Radiation in a Four-Wave-Mixing Scheme Enhanced by Electromagnetically Induced Transparency, Phys. Rev. A 61, (2000) 8. M. Jain et al., Elimination of Optical Self-Focusing by Population Trapping, Phys. Rev Lett. 75, 4385 (1995) 9. E. Hanamura et al., Quantum Nonlinear Optics, Springer (2007) 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 27

28 12 Januar 2011 Seminar: Quantenoptik und nichtlineare Optik Alexander Janz 28