Development of a Tunable and Compact Source of Squeezed States of Light

Abstract

Squeezed states of light are a commonly used quantum resource in the fields of quantum optics and quantum sensing. Nevertheless, sources of squeezed states of light still need to be further developed to open up more widespread application possibilities. This thesis investigated two different cavity designs for the generation of squeezed vacuum states based on cavity-enhanced parametric down-conversion. The objective was to provide a compact source with a stable generation of high squeeze factors at a wavelength of 1550 nm, allowing for flexible implementation in subsequent experiments. In a setup utilizing doubly-resonant monolithic cavities, which consisted of bi-convex and coated ppKTP crystals, a squeeze factor of (10.4 ± 0.1) dB was achieved. The experiment focussed on adjusting the double resonance condition of monolithic resonators via a multi-temperature heating scheme. In order to ensure transportability, the experiment was conducted on a 80 cm x 80 cm breadboard. A second experiment focussed on a half-monolithic design comprising a plano-convex ppKTP crystal and one mirror, and was set up on a more compact 40 cm x 60 cm breadboard. The generated squeeze factors were >(10.5±0.1) dB and tunable over a wavelength range from 1549.9nm to 1550.34nm with a maximum at (11.0±0.1) dB. The coherent control locking scheme ensured a stable squeezed phase over a period of 8 hours. Thus, the presented setup meets the requirements for a flexible application in experiments conducted within the telecommunication wavelength range. In addition, a mirror surface characterization design based on a Mach- Zehnder interferometer was engineered. With a lateral resolution of (5.29 ± 0.06) μm and a sensitivity of (3.1 ± 1.4) fm/√Hz, the interferometer could scan an 56mm2 circular excerpt of the mirror within 200 seconds. A digital reconstruction enabled mapping of the mirror’s surface roughness and optical loss. This method visualised point absorbers in the coating, which could cause thermal distortions in experiments with high-power laser light. The interferometer was shot-noise limited for frequencies beyond 85 kHz. Implementing squeezed states of light could enhance the sensitivity beyond the quantum limit in the signal range, once the noise is reduced to the shotnoise limit for frequencies below 65 kHz.

Gequetschte Lichtzustände sind eine häufig genutzte Quantenressource in den Bereichen Quantenoptik und -sensorik. Dennoch müssen Quellen für gequetschte Lichtzustände weiter entwickelt werden, um breitere Anwendungsmöglichkeiten zu eröffnen. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Kavitätdesigns für die Erzeugung von gequetschten Vakuumzuständen basierend auf der kavitätsverstärkten parametrischen Abwärtskonversion untersucht. Ziel war es, eine kompakte Quelle mit einer stabilen Erzeugung von hohen Quetschzuständen bei einer Wellenlänge von 1550 nm zu schaffen, die eine flexible Implementierung in nachfolgenden Experimenten ermöglicht. In einem Aufbau mit doppelresonanten monolithischer Kavitäten, die aus bikonvexen und beschichteten ppKTP-Kristallen bestanden, wurde ein Quetschfaktor von (10,4 ± 0,1) dB erreicht. Das Experiment konzentrierte sich auf die Einstellung der Doppelresonanzbedingung von monolithischen Resonatoren durch ein Multi-Temperatur-Heizschema. Um die Transportfähigkeit zu gewährleisten, wurde das Experiment auf einer 80 cm x 80 cm Lochrasterplatte durchgeführt. Ein zweites Experiment konzentrierte sich auf ein halb-monolithisches Design, das ein plankonvexen ppKTP-Kristall und ein Spiegel umfasste, und wurde auf einer kompakteren 40 cm x 60 cm Lochrasterplatine aufgebaut. Die erzeugten Quetschfaktoren waren >(10,5 ± 0,1) dB und einstellbar über einen Wellenlängenbereich von 1549,9 nm bis 1550,34 nm mit einem Maximum bei (11,0 ± 0,1) dB. Die „Coherent Control“ Regelschleife gewährleistete eine stabile Quetschphase über einen Zeitraum von 8 Stunden. Damit erfüllt der vorgestellte Aufbau die Anforderungen für einen flexiblen Einsatz bei Experimenten im Telekommunikationswellenlängenbereich. Darüber hinaus wurde ein Design zur Charakterisierung der Spiegeloberfläche auf der Grundlage eines Mach-Zehnder-Interferometers entwickelt. Mit einer lateralen Auflösung von (5,29 ± 0,06) µm und einer Empfindlichkeit von (3,1 ± 1,4) fm/√Hz konnte das Interferometer einen 56 mm2 zirkularen Ausschnitt des Spiegels innerhalb von 200 Sekunden scannen. Eine digitale Rekonstruktion ermöglichte die Abbildung der Oberflächenrauhigkeit und des optischen Verlusts des Spiegels. Mit dieser Methode wurden Punktabsorber in der Beschichtung sichtbar gemacht, die bei Experimenten mit Hochleistungslaserlicht thermische Verzerrungen verursachen können. Das Interferometer war bei Frequenzen über 85 kHz durch das Schrotrauschen limitiert. Die Implementierung von gequetschten Lichtzuständen könnte die Empfindlichkeit über das Quantenlimit im Signal bereich hinaus verbessern, sobald das Rauschen auf das Schrotrauschlimit für Frequenzen unter 65 kHz reduziert ist.