Nonlinear optics in monolithic cavities close to the absorption band

Abstract

To date, squeezed states of light are already applied in a broad range of scientific experiments to increase the signal-to-noise ratio – from spectroscopy, magnetometry and biological measurements to large-scale gravitational-wave detection. Due to the quantum-correlated nature of squeezed states of light, they are also a powerful resource in quantum information and a promising candidate for optical quantum computing. In view of this, the interaction between squeezed states of light and atoms has become of particular interest. This thesis presents and characterizes a squeezed light source operating at 800nm, in proximity to the Rb D1 line (795nm). The setup consists of two monolithic optical cavities, whose end mirrors are directly coated onto a periodically-poled KTiOPO4 (PPKTP) crystal: one acting as second harmonic generation (SHG) for frequency doubling to 400nm and the other for parametric down-conversion (PDC), generating the squeezed states of light. The SHG yielded a conversion efficiency of up to 58.6% at 120mW input power. With the squeezing cavity, a maximum squeezing level of 4.02dB below the vacuum level was achieved at an antisqueezing level of around 23dB. The overall optical losses of around 35% were dominated by the intracavity losses inside the squeezing cavity at 800nm, which increased significantly due to illumination with the 400nm pump light. While bringing the advantage of being highly stable and robust against mechanical oscillations, the monolithic design imposes two main challenges in this experiment: First, the cavity’s resonance frequency and the phase matching for the parametric gain are both tuned via the crystal temperature and therefore cannot be accessed independently. Second, the generated 400nm light is on the edge of the transparency window of PPKTP and is thus subject to absorption that heats the crystal. At input powers above 10mW, the coupled degrees of freedom lead to nonlinear responses of the system, which were thoroughly characterized. A method was developed to probe the SHG gain profile and its shift in frequency space, even though this information cannot be accessed directly in the monolithic design. To quantify the longterm performance of the system, a high-power measurement with 170mW input power was performed on the SHG over 67h, which decreased the conversion efficiency from 32% to 13%. Gray tracking of the beam path was clearly visible after this prolonged exposure. Heating the crystal to 135°C for 97h reduced the crystal’s damage; however, it did not heal the crystal sufficiently for reuse. In conclusion, the monolithic design does not seem suitable for application in quantum optics experiments that require stable, longterm operation at a laser frequency that is defined by the experiment. Alternative approaches are discussed.

In einer Vielzahl wissenschaftlicher Experimente werden bereits gequetschte Lichtzustände eingesetzt, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen – von Spektroskopie über biologische Messungen bis zur flächendeckenden Anwendung in Gravitationswellendetektoren. Aufgrund ihrer quantenkorrelierten Natur sind gequetschte Lichtzustände außerdem ein wertvolles Konzept für Quanteninformationsprotokolle und ein vielversprechender Kandidat für optische Quantencomputer. In diesem Zusammenhang ist die Wechselwirkung zwischen gequetschten Lichtzuständen und Atomen von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wird eine Quetschlichtquelle für 800nm – also in der Nähe der Rb D1 Linie (795nm) – vorgestellt und charakterisiert. Der Aufbau besteht aus zwei monolithischen optischen Resonatoren, deren Endspiegel direkt auf periodisch gepolte KTiOPO4-Kristalle (PPKTP) gedampft wurden. Im ersten Resonator wird die Frequenz verdoppelt (SHG nach 400nm), während im zweiten die gequetschten Lichtzustände mittels parametrischer Abkonversion (PDC) erzeugt werden. Die SHG erreichte eine Konversionseffizienz von bis zu 58.6% bei einer Eingangsleistung von 120mW. Mit dem Quetschlichtresonator wurde ein maximaler Quetschwert von 4.02dB unterhalb des Vakuumrauschens bei einem Antiquetschpegel von etwa 23dB erreicht. Die optischen Verluste von insgesamt etwa 35% waren vor allem durch die Absorption des 800nm-Lichts im Resonator selbst bedingt, welche durch die Bestrahlung mit dem 400nm-Pumplicht signifikant zunahm. Der monolithische Aufbau ist hochstabil und robust gegen mechanische Schwingungen; er bringt jedoch in diesem Experiment zwei Herausforderungen mit sich. Erstens werden sowohl die Resonanzfrequenz des Resonators als auch die Phasenanpassung für den parametrischen Prozess über die Kristalltemperatur eingestellt und können daher nicht unabhängig voneinander geregelt werden. Zweitens wird das erzeugte 400nm-Licht am Rand des Transparenzbereichs von PPKTP teilweise absorbiert, was den Kristall erwärmt. Bei Eingangsleistungen über 10mW führen diese gekoppelten Freiheitsgrade zu einem nichtlinearem Antwortverhalten des Systems, welches umfassend charakterisiert wurde. Mit einer neu entwickelten Methode konnten das SHG-Verstärkungsprofil und seine Verschiebung im Frequenzraum vermessen werden, obwohl diese Informationen im monolithischen Design nicht direkt zugänglich sind. Durch eine Langzeitmessung an der SHG über 67h mit einer Eingangsleistung von 170mW nahm ihre Konversionseffizienz von 32% auf 13% ab. Nach dieser Exposition war im Kristall eine Trübung entlang des Strahlwegs deutlich sichtbar. Durch Ausheizen des Kristalls auf 135°C für 97h ging die Beschädigung des Kristalls zwar zurück; dies reichte jedoch nicht für eine vollständige Heilung. Zusammenfassend scheint das monolithische Design nicht für Anwendungen in Quantenoptik-Experimenten geeignet, sofern diese einen stabilen Langzeitbetrieb und eine durch das Experiment definierte Laserfrequenz erfordern. Alternative Ansätze werden diskutiert.