Spectroscopy of Rydberg Atoms in Hollow-Core Photonic Crystal Fibers

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2018-02-19
Issue Year
2018
Authors
Epple, Georg
Editor
Abstract

This thesis presents the coherent excitation of Rydberg states from a room temperature vapor of cesium atoms in hollow-core photonic crystal fibers. The project was initiated and enacted in close collaboration with the 5th Physical Institute of the University of Stuttgart.

Atoms in highly excited electronic states, referred to as Rydberg atoms, can possess exaggerated properties. In particular they feature an around six orders of magnitude larger polarizability compared to their ground state counterparts. This results not only in a high sensitivity to electric fields but also enables strong interatomic dipole-dipole interactions. Such Rydberg-Rydberg interactions allow for optical nonlinearities down to the single photon level and can be effective on the micrometer scale. This work investigates the feasibility of integrating a Rydberg system based on thermal atomic gases into waveguide confinement provided by a hollow-core photonic crystal fiber (HC-PCF). To this end, an experimental setup for atom spectroscopy in HC-PCF was designed and constructed. In preparation for the Rydberg spectroscopy, we carefully characterized the optical depth of our fiber system. In this context, the processes of atom diffusion into the core, the adsorption of atoms on the glass surface and light induced atomic desorption (LIAD) are reviewed in detail. The coherent spectroscopy on Rydberg atoms in HC-PCF is realized by a three-photon ladder excitation scheme. Launching the excitation light fields in a counter-propagating configuration allows us to partly compensate for Doppler-effects in the thermal vapor. Experimental results are presented for large range of coupling strengths and Rydberg states, featuring principal quantum numbers between n = 26 and n = 40, as well as a variety of different HC-PCFs with core diameters between 19 µm and 62 µm. The excitation of highly sensitive Rydberg atoms in close vicinity to a core confinement implies that interactions between the atoms and the nearby glass material of the fiber are likely to influence our system. Comparing our Rydberg spectra obtained in HC-PCF to measurements simultaneously performed in a reference cell reveals a line-shift of the Rydberg state. To gain further insight into the underlying effect the probe light was launched into higher-order optical modes, providing a degree of spatial resolution. We show that our experimental findings can be reproduced by a model based on stray electric fields originating from the dipole moments of atoms adsorbed on the glass surface. In addition, the response of Rydberg atoms inside a HC-PCF to an externally applied radio-frequency (rf) field is investigated. We demonstrate that applying an electric field can be utilized to address atoms at different positions along a HC-PCF and present experimental and theoretical results for sideband modulation by rf-dressing of the Rydberg state. Finally the prospects of HC-PCF based Rydberg systems for potential applications in coherent spectroscopy, quantum optics and quantum sensing are elaborated.

Abstract

Diese Arbeit behandelt die kohärente Anregungen von Rydberg-Zuständen eines thermischen Cäsium Gases in einer optischen Hohlkernfasern (engl. hollow-core photonic crystal fiber, HC-PCF). Das Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit dem 5. Physikalischem Institut der Universität Stuttgart initiiert und durchgeführt.

Atome in hoch angeregten Zuständen, sogenannte Rydberg-Atome, besitzen im Vergleich zu ihrem Grundzustand extreme Eigenschaften. Das betrifft im Besonderen ihre Polarisierbarkeit, welche um etwa sechs Größenordnungen erhört ist. Diese führt nicht nur zu einer hohen Sensitivität gegenüber elektrischen Feldern sondern ermöglicht auch starke Dipol-Dipol Wechselwirkungen zwischen Rydberg Atomen. Rydberg-Rydberg Wechselwirkungen können über eine Länge von mehreren Mikrometer wirksam sein und erlauben optische Nichtlinearitäten auf dem Level einzelner Photonen. In dieser Arbeit wird die Realisierbarkeit eines Rydberg Systems untersucht, das auf einem thermischen Gas von Atomen, eingeschlossen in der Wellenleiter Struktur einer optischen Hohlkernfaser basiert. Zu diesem Zweck wurde ein experimentelles Setup für Atomspektroskopie in Hohlkernfasern entworfen und aufgebaut und die optische Dichte im System sorgfältig charakterisiert. In diesem Zusammenhang wird auch auf die Diffusionsprozesse von Atomen in den Hohlkern der Faser, das Adsorbieren von Atomen auf der Glasoberfläche und Effekte durch das Ablösen von Atomen auf Oberflächen durch Licht (engl. light induced atomic desorption, LIAD) näher eingegangen. Die kohärente Spektroskopie an Rydberg-Atome in Hohlkernfasern ist durch ein Drei-Photonen Anregungsschema realisiert. Um einen Teils des Doppler Effektes des thermischen Gas zu kompensieren sind die Lichtfelder für die Anregung sind in einer gegenläufigen Konfiguration in die Faser gekoppelt. Experimentelle Ergebnisse für Hauptquantenzahlen von n = 26 bis n = 40, variierende Kopplungsstärken und verschiedenen Hohlkernfasern mit Durchmessern zwischen 19 µm und 62 µm werden diskutiert. Im Hohlkernfasersystem werden hoch sensitiven Rydberg-Atomen in unmittelbarer Nähe zum Glass Materials des Wellenleiters angeregt, was einen Einfluss auf die Atome durch den Einschluss des Wellenleiters sehr wahrscheinlich macht. Tatsächlich kann durch den Vergleich der gemessenen Spektren im Hohlkernfasersystem und in einer Referenzzelle eine Verschiebung der Rydberg Linie beobachtet werden. Die räumliche Verteilung dieser Einflüsse wird mit Hilfe von optischen Fasermoden höherer Ordnung genauer untersucht. Der Vergleich der Experimentellen Ergebnisse zu numerischen Simulationen zeigt, dass die Linienverschiebung durch elektrische Streufelder erklärt werden kann, welche durch die Dipolmomente der an der Glass Oberfläche adsorbierten Atome entstehen. Im letzten Teil dieser Arbeit machen wir uns die hohe Polarisierbarkeit von Rydberg Atomen zu Nutze um mit Hilfe einer Radiowelle Seitenbänder auf den Rydberg-Zuständen zu erzeugen und Atome an verschiedenen Orten entlang einer Hohlkernfaser zu adressieren. Abschließend werden die Perspektiven für Rydberg Systeme in Hohlkernfasern für potentielle Anwendungen im Bereich der kohärenten Spektroskopie, der Quantenoptik und Messtechnik diskutiert.

DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs