Faserlaser-gepumpter optisch-parametrischer Oszillator mit Frequenzkonversion und Frequenzstabilisierung
Final Report Abstract
Der Faserlaser-gepumpte optisch-parametrische Oszillator (OPO) mit Frequenzkonversion und Frequenzstabilisierung wird als intensive, kompakte Lichtquelle für Experimente der Quantenoptik eingesetzt. Er dient insbesondere dazu, moderne Verfahren der kohärenten Wechselwirkung, z.B. die Lichtspeicherung in atomaren Kohärenzen, die kohärente Manipulation von Besetzungsverteilungen, sowie die Präparation von stationären Lichtpulsen zu implementieren. Die Experimente werden in dotierten Festkörpern und in kalten Atomen hoher optischer Dichte durchgeführt. Die Projekte zielen auf grundlagen-orientierten Erkenntnisgewinn im Bereich der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie, wie auch auf neuartige Anwendungen in der optischen Datenspeicherung und Datenverarbeitung. Für die Projekte wird ein zuverlässiges, kontinuierlich emittierendes Lasersystem benötigt, das Durchstimmbarkeit im sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich, sowie hohe Leistung und Frequenzstabilität bietet. Das Faserlaser-gepumpte OPO-System besteht aus kommerziell verfügbaren Faserlaser- und OPO-Modulen, einer neu konzipierten Erweiterung zur Frequenzkonversion, sowie Selbstbau-Frequenzstabilisierungseinheiten. Im OPO wird die intensive, nah-infrarote Strahlung eines Pumplasers zu durchstimmbarer Signal- und Idlerstrahlung im mittel-infraroten Spektralbereich umgewandelt. Anschließend wird die Signalstrahlung des OPO durch Mischung mit der Pumplaser-Strahlung weiter in den sichtbaren Spektralbereich konvertiert. Dabei werden Leistungen von weit über 1 W erreicht. Die Frequenzbandbreite des Faserlasers und des OPO werden durch externe, selbstgebaute Frequenzstabilisierungseinheiten auf ca. 100 kHz (FWHM) reduziert. Damit wurden die bei Antragstellung avisierten Spezifikationen bzgl. Frequenzstabilität voll erreicht und bzgl. der erreichbaren Leistung um mehr als einen Faktor 2 übererfüllt. Vor dem Einsatz des Geräts in den Quantenoptik-Experimenten waren wesentlich umfangreichere Arbeiten an den Einheiten zur Frequenzkonversion und Frequenzstabilisierung notwendig als ursprünglich geplant. Dies war v.a. dadurch bedingt, dass das ursprünglich geplante Konzept der Frequenzkonversion mittels externer Frequenzvervierfachung der OPO-Idlerstrahlung durch die beauftragte Firma nicht realisiert werden konnte. Daher wurde von den Antragstellern als alternative Lösung die resonator-interne Summenfrequenzmischung im OPO mit der Faserlaser-Strahlung entwickelt und in Zusammenarbeit mit dem OPO-Hersteller umgesetzt. Die erfolgreiche Umsetzung des Konzepts führte zu neuen, publikationsfähigen Erkenntnissen im Bereich der angewandten Laserphysik. Dies stellt einen erfreulichen Seiteneffekt aus der Konzeption und Entwicklung des OPO-Systems dar. Nach den umfangreichen Entwicklungsarbeiten erfolgte der erste Einsatz des OPO-Systems in Experimenten zum Transfer von Konzepten der kohärenten Licht-Materie-Wechselwirkung in die angewandte Optik. Der OPO wurde als durchstimmbare Lichtquelle benutzt, um die Implementierung von „kompositen“ Sequenzen von ultra-breitbandigen Polarisationsdrehern (mit extrem großer spektraler Bandbreite von weit über 1000 nm) oder spektral sehr scharfen Filtern zu demonstrieren. Aktuell wird der OPO in einer breiten Vielfalt von Experimenten zur Lichtspeicherung mittels quantenoptischer Protokolle (z.B. elektromagnetisch-induzierter Transparenz (EIT) oder atomaren Frequenzkämmen) in Praseodym-dotierten Festkörpern eingesetzt. Die Eigenschaften des Geräts wurden dabei insbesondere zum Treiben eines optischen Übergangs in Praseodym-Ionen bei 606 nm optimiert. Es geht in den Projekten v.a. um die Implementierung eines vollständig Festkörper-basierten Aufbaus zur Realisierung von Quantenspeichern mit hohen Effizienzen und langen Speicherzeiten. Der Arbeitsgruppe des Antragsstellers gelang hier kürzlich ein Weltrekord beim „Stoppen“ und Speichern von Lichtpulsen und Bildern für die Dauer von bis zu einer Minute. Während in diesem speziellen Experiment noch eine andere Lichtquelle genutzt wurde, soll der OPO jetzt im nächsten Schritt des Projekts zur Speicherung von einzelnen Photonen im dotierten Festkörper eingesetzt werden. Darüber hinaus werden die weiteren Ausgangswellenlängen des OPO im mittleren Infrarot zur Implementierung von optischen Fallen für ultrakalte atomare Gase bei extrem hohen optischen Dichten genutzt. Im weiteren Verlauf konnte das Gerät an einer Vielzahl von Experimenten zur Speicherung optischer Informationen (d.h. spektral schmalbandigen Lichtpulsen) durch quantenoptische Protokolle eingesetzt werden. Wie ursprünglich geplant, stellt das OPO-Lasersystem jetzt die standardmäßig genutzte Lichtquelle für alle Experimente an Pr:YSO-Kristallen im Labor des Antragstellers dar. Dadurch konnte ein kompakter, vollständig festkörper-basierter experimenteller Aufbau realisiert werden, d.h. mit Pr:YSO-Kristallen als Speichermedium und Festkörper-OPO-Lasersystem als treibender Lichtquelle für Ausgangswellenlängen um 606 nm. Hierbei konnten mit „coherence population mapping (CPM)“ und „single-shot shaped pulses (SSSP)“ zwei völlig neue quantenoptische Protokolle zur Speicherung optischer Daten in atomaren Kohärenzen eines dotierten Festkörpers entwickelt und demonstriert werden. Darüber hinaus wurde ein Weltrekord im Hinblick auf die erreichbare Effizienz bei der Speicherung von Lichtpulsen mittels EIT aufgestellt. Die Arbeitsgruppe besitzt somit jetzt den Weltrekord bei Speicherdauer und Speichereffizienz in einem EIT-getriebenen Speicher. Jenseits des Haupteinsatzbereiches zur optischen Datenspeicherung werden die zusätzlich vom OPO emittierten Wellenlängen im mittleren Infrarot zur Implementierung optischer Fallen für Experimente an kalten Atomen genutzt. Darüber hinaus wird aktuell eine weitere, bei der Beantragung des Geräts noch gar nicht absehbare Nutzung implementiert: Die mittel-infraroten Strahlung wird als Seed-Quelle für einen optisch-parametrischen Verstärker zur Erzeugung durchstimmbarer Strahlung mit Pulsdauer im Nanosekundenbereich dienen. Der konzeptionell neue Laserverstärker befindet sich aktuell im Bau und soll zur nicht-linear optischen Spektroskopie und Abbildung von Verbrennungsprozessen eingesetzt werden. Zusammenfassend ist das Gerät somit eine zentrale Komponente in Projekten zur Implementierung von optischen Speichern in dotierten Festkörpern, und dient darüber hinaus als mittel-infrarote Lichtquelle in Projekten an kalten Atomen und zur nicht-linear optischen Abbildung. Die durch die Anschaffung des Großgeräts geplanten Ziele wurden somit erreicht, der standardmäßige Einsatz des Geräts ist gegeben, zusätzliche Anwendungen befinden sich in der Implementierungsphase.
Publications
- “Variable ultra-broadband and narrowband composite polarization retarders” Appl. Opt. 51, 7466 (2012)
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- “Correction of arbitrary field errors in population inversion of quantum systems by universal composite pulses” Phys. Rev. Lett. 113, 043001 (2014)
G. Genov, D. Schraft, T. Halfmann, and N.V. Vitanov
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.043001) - “Tunable, continuous-wave optical parametric oscillator with more than 1W output power in the orange visible spectrum” Opt. Expr. 22, 11182 (2014)
S. Mieth, A. Henderson, and T. Halfmann
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.22.011182) - “Phase-insensitive storage of coherences by reversible mapping onto long-lived populations”. Phys. Rev. A 93, 012312 – Published 8 January 2016
S. Mieth, G.T. Genov, L.P. Yatsenko, N.V. Vitanov, and T. Halfmann
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevA.93.012312) - „Stopped light at high storage efficiency in a Pr3+:Y2SiO5 crystal” Phys. Rev. Lett. 116, 073602 – Published 17 February 2016
D. Schraft, M. Hain, N. Lorenz, and T. Halfmann
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.073602)
