Solitons in Bose-Einstein condensates trapped in a double-well potential

We investigate, analytically and numerically, families of bright solitons in a system of two linearly coupled nonlinear Schrodinger/Gross-Pitaevskii equations, describing two Bose-Einstein condensates trapped in an asymmetric double-well potential, in particular, when the scattering lengths in the condensates have arbitrary magnitudes and opposite signs. The solitons are found to exist everywhere where they are permitted by the dispersion law. Using the Vakhitov-Kolokolov criterion and numerical methods, we show that, except for small regions in the parameter space, the solitons are stable to small perturbations. Some of them feature self-trapping of almost all the atoms in the condensate with no atomic interaction or weak repulsion is coupled to the self-attractive condensate. An unusual bifurcation is found, when the soliton bifurcates from the zero solution with vanishing amplitude and width simultaneously diverging but at a finite number of atoms in the soliton. By means of numerical simulations, it is found that, depending on values of the parameters and the initial perturbation, unstable solitons either give rise to breathers or completely break down into incoherent waves (radiation). A version of the model with the self-attraction in both components, which applies to the description of dual-core fibers in nonlinear optics, is considered too, and new results are obtained for this much studied system. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Giant non-linear absorption in Er3+-doped fluoroindate glass

Non-linear absorption is observed in Er3+-doped fluoroindate glass (in mol% 37InF2:20ZnF2:20SrF2:16BaF2:2GdF2: 2NaF:1GaF3:2ErF3) when the sample is irradiated with a CW laser emitting at 650 nm. An intensity dependence of the optical transmittance is detected. Saturation and sequential absorption of two photons are responsible for the decrease of 50% in the transmittance. The results are explained by simple models which are solved based on rate-equations for the populations of energy levels.

Controlling collapse in Bose-Einstein condensates by temporal modulation of the scattering length

A study was conducted on the dynamics of 2D and 3D Bose-Einstein condensates in the case when the scattering length in the Gross-Pitaevskii (GP) equation which contains constant (dc) and time-variable (ac) parts. Using the variational approximation (VA), simulating the GP equation directly, and applying the averaging procedure to the GP equation without the use of the VA, it was demonstrated that the ac component of the nonlinearity makes it possible to maintain the condensate in a stable self-confined state without external traps.

Optical limiting behavior of tungstate fluorophosphate glasses

Nonlinear absorption measurements were performed on fluorophosphate glasses with high concentration of tungsten oxide. Large two-photon absorption coefficients, α2, were determined at 660 nm using nanosecond laser pulses. It was observed that α2 increases for increasing tungsten oxide concentrations and therefore the optical limiting performance of this new glass composition can be controlled.

Ferroelectric switching and dielectric response of P(VDF-TrFE)/PMMA blends

The ferroelectric and the dielectric behaviors of binary blends formed by an equi-molar Poly(vinylidene fluoride trifluoroethylene) copolymer [P(VDF-TrFE)] and Poly(methyl methacrylate) [PMMA] were investigated, for several PMMA compositions. For 40 wt.% or more PMMA contents, the blends are completely amorphous. Below this value, they crystallize in the usual Cm2m polar structure of P(VDF-TrFE). The ferroelectric switching characteristics and the dielectric response of the blends demonstrate the formation of dynamically stable ferroelectric domains. Moreover, the blended films are highly transparent in the optical region. Therefore, thin films of these binary blends are good candidates as host materials for nonlinear optical applications.

Um estudo do efeito da composição dos vidros teluretos sobre os índices de refração linear e não linear

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Frequency tunable continuous THz wave generation in a periodically poled fiber

An all-fiber approach to terahertz generation using a periodically poled optical fiber is proposed and experimentally demonstrated. In the proposed approach, a continuous-wave THz wave is generated at a periodically poled fiber by beating two optical wavelengths from two laser sources with the wavelength spacing corresponding to the frequency of the THz wave. The key component in the system is the periodically poled fiber, which is made by a twin-hole fiber with the fiber core residing between two holes. The twin-hole fiber is then thermally poled at a temperature of similar to 260 degrees C with a voltage of 3.3 kV applied to the silver electrodes inside the two holes to introduce second-order nonlinearity. The quasi phase matching (QPM) condition is achieved by periodically erasing the thermal poling induced second-order nonlinearity with an ultraviolet laser, which enhances the energy conversion efficiency. The proposed approach is validated by an experiment. The emission of a THz wave centered at 3.8 THz with an output power of 0.5 mu W is observed. The frequency tunability between 2.2 and 3.8 THz is also experimentally demonstrated.

Preparação e caracterização óptica de filmes de ORMOSIL obtidos via processo sol-gel dopados com azocorantes

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Observation of vinylidene emission in mixed phosphine/diimine complexes of Ru(II) at room temperature in solution

The mixed ruthenium(II) complexes trans-[RuCl(2)(PPh(3))(2)(bipy)] (1), trans-[RuCl(2)(PPh(3))(2)(Me(2)bipy)](2), cis-[RuCl(2)(dcype)(bipy)](3), cis-[RuCl(2)(dcype)(Me(2)bipy)](4) (PPh(3) = triphenylphosphine, dcype = 1,2-bis(dicyclohexylphosphino)ethane, bipy = 2,2'-bipyridine, Me(2)bipy = 4,4'-dimethyl-2,2'-bipyridine) were used as precursors to synthesize the associated vinylidene complexes. The complexes [RuCl(=C=CHPh)(PPh(3))(2)(bipy)]PF(6) (5), [RuCl(=C=CHPh)(PPh(3))(2)(Me(2)bipy)]PF(6) (6), [RuCl(=C=CHPh)(dcype)(bipy)]PF(6) (7), [RuCl(=C=CHPh)(dcype)(bipy)]PF(6) (8) were characterized and their spectral, electrochemical, photochemical and photophysical properties were examined. The emission assigned to the pi-pi* excited state from the vinylidene ligand is irradiation wavelength (340, 400, 430 nm) and solvent (CH(2)Cl(2), CH(3)CN, EtOH/MeOH) dependent. The cyclic voltammograms of (6) and (7) show a reversible metal oxidation peak and two successive ligand reductions in the +1.5-(-0.64) V range. The reduction of the vinylidene leads to the formation of the acetylide complex, but due the hydrogen abstraction the process is irreversible. The studies described here suggest that for practical applications such as functional materials, nonlinear optics, building blocks and supramolecular photochemistry. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Donor-Akzeptor-substituierte Oligo(phenylenethinylen)e und Oligo(thienylenethinylen)e

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und den Eigenschaftsuntersuchungen von Oligo(phenylenethinylen)en (OPEs) und Oligo(thienylenethinylen)en (OTEs) mit terminaler Donor-Akzeptor-Substitution. Die Darstellung der Oligomerenreihen erfolgt über ein „Baukastensystem“ bestehend aus Start,- Synthese, - und dem jeweiligen Endbaustein. Die zentrale Synthesereaktion zum Aufbau der Push-Pull-Systeme ist eine moderne und effektive Pd-katalysierte Reaktion, die Sonogashira-Hagihara-Kupplung. Für die dialkylaminosubstituierten OPE-Systeme konnten die Cyano,- Formyl,- Nitro –und Dicyanovinylgruppe als Akzeptoren eingeführt werden. In der dodecylsulfanylsubstituierten OTE-Serie wurde als Akzeptor die Nitrogruppe verwendet, während in der methoxysubstituierten OTE-Reihe die Formyl,- Nitro –und Dicyanovinylgruppe als Akzeptoren eingeführt wurde. Alle Reihen konnten mittels 1H-, 13C-, IR-, MS- und UV/Vis-Spektroskopie vollständig charakterisiert werden. Die Lage des langwelligen Absorptionsmaximums zeigt eine starke Abhängigkeit von der Donor- und Akzeptorstärke der Substituenten sowie von der Länge des konjugierten Pie-Systems. Für beide Pie-Systeme ergibt sich bei hinreichend starker Donor- und Akzeptorsubstitution eine ungewöhnliche hypsochrome Verschiebung der langwelligen Absorptionsmaxima. Mit Hilfe der semiempirischen Quantenmechanik wird ein Modell vorgestellt, das die ungewöhnlichen spektroskopischen Eigenschaften der OPEs und OTEs erklären und vorhersagen kann. Mittels elektrooptischer Absorptionsmessungen ( EOAM ), EFISHG-Messungen sowie der Frequenzverdreifachungsspektroskopie ( THG ) werden die NLO-Eigenschaften in Abhängigkeit von der Konjugationslänge der nitrosubstituierten OPE-Serie bestimmt.

Effizientes Vierwellenmischen durch Ausnutzen von Resonanzen in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kohärente, kontinuierliche Strahlungsquelle im vakuum-ultravioletten (VUV) Spektrum vorgestellt. Sie basiert auf einem Vierwellenmischprozess in Quecksilberdampf mit Fundamentalstrahlen bei 253,7 nm, 407,9 nm und 545,5 nm Wellenlänge. Diese fundamentalen Strahlen werden durch frequenzverdoppelte bzw. frequenzvervierfachte Festkörperlasersysteme bereit gestellt. Durch das Ausnutzen der 6^1S-7^1S Zweiphotonenresonanz und zusätzlich der 6^1S-6^3P Einphotonenresonanz kann der Vierwellenmischprozess deutlich effizienter betrieben werden als zuvor. Eine nahe Einphotonenresonanz verringert die optimale Phasenanpassungstemperatur des Vierwellenmischprozesses, wodurch Druck- und Stoßverbreiterungen des Quecksilbers verkleinert und damit der nichtlineare Prozess effizienter wird. So können Leistungen bis zu 0,3 nW bei 121,56 nm, dem 1S-2P Lyman-alpha Übergang von Wasserstoff, erzeugt werden. Diese Lyman-alpha Quelle soll für die zukünftige Laserkühlung von Antiwasserstoff genutzt werden. rnrnNeben der Generierung von Strahlung bei Lyman-alpha kann, durch Veränderung der dritten Fundamentalwellenlänge, auch Strahlung in der Nähe zu einer Einphotonresonanz im VUV bei dem 6^1S-12^1P Übergang in Quecksilber durch Vierwellenmischen erzeugt werden. Durch diese weitere Einphotonresonanz kann die nichtlineare Suszeptibilität, verantwortlich für das Vierwellenmischen, stark vergrößert werden, ohne Einfluss auf die Phasenanpassung zu haben. Damit lässt sich der Mischprozess um drei Größenordnungen effizienter gestalten und Leistungen von 6 µW im VUV konnten realisiert werden. Dies entspricht einer Leistungsteigerung um einen Faktor 30 im Vergleich zu früheren Quellen. rnrnDarüberhinaus konnte die Zweiphotonenresonanz in Quecksilber ausführlich untersucht werden. Man erhält bei kleinen Rabifrequenzen der Fundamentalstrahlen eine geschwindigkeitsselektive Doppelresonanz, die den gleichen Ursprung wie Dunkelresonanzen in Lambda-Systemen hat. Bei hohen Rabifrequenzen kann die Anregung in das Zweiphotonenniveau so stark werden, dass auf dem 7^1S-6^1P Übergang ein Laserprozess initiiert wird. Dieser Prozess wurde hier zum ersten Mal mit kontinuierlichen Fundamentallasern nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass der zusätzliche Laserprozess das Vierwellenmischen nicht beeinträchtigt.

Thermal excitations of optical nanofibers measured with a fiber-integrated Fabry-Pérot cavity

Efficient coupling of light to quantum emitters, such as atoms, molecules or quantum dots, is one of the great challenges in current research. The interaction can be strongly enhanced by coupling the emitter to the eva-nescent field of subwavelength dielectric waveguides that offer strong lateral confinement of the guided light. In this context subwavelength diameter optical nanofibers as part of a tapered optical fiber (TOF) have proven to be powerful tool which also provide an efficient transfer of the light from the interaction region to an optical bus, that is to say, from the nanofiber to an optical fiber. rnAnother approach towards enhancing light–matter interaction is to employ an optical resonator in which the light is circulating and thus passes the emitters many times. Here, both approaches are combined by experi-mentally realizing a microresonator with an integrated nanofiber waist. This is achieved by building a fiber-integrated Fabry-Pérot type resonator from two fiber Bragg grating mirrors with a stop-band near the cesium D2-line wavelength. The characteristics of this resonator fulfill the requirements of nonlinear optics, optical sensing, and cavity quantum electrodynamics in the strong-coupling regime. Together with its advantageous features, such as a constant high coupling strength over a large volume, tunability, high transmission outside the mirror stop band, and a monolithic design, this resonator is a promising tool for experiments with nanofiber-coupled atomic ensembles in the strong-coupling regime. rnThe resonator's high sensitivity to the optical properties of the nanofiber provides a probe for changes of phys-ical parameters that affect the guided optical mode, e.g., the temperature via the thermo-optic effect of silica. Utilizing this detection scheme, the thermalization dynamics due to far-field heat radiation of a nanofiber is studied over a large temperature range. This investigation provides, for the first time, a measurement of the total radiated power of an object with a diameter smaller than all absorption lengths in the thermal spectrum at the level of a single object of deterministic shape and material. The results show excellent agreement with an ab initio thermodynamic model that considers heat radiation as a volumetric effect and that takes the emitter shape and size relative to the emission wavelength into account. Modeling and investigating the thermalization of microscopic objects with arbitrary shape from first principles is of fundamental interest and has important applications, such as heat management in nano-devices or radiative forcing of aerosols in Earth's climate system. rnUsing a similar method, the effect of the TOF's mechanical modes on the polarization and phase of the fiber-guided light is studied. The measurement results show that in typical TOFs these quantities exhibit high-frequency thermal fluctuations. They originate from high-Q torsional oscillations that couple to the nanofiber-guided light via the strain-optic effect. An ab-initio opto-mechanical model of the TOF is developed that provides an accurate quantitative prediction for the mode spectrum and the mechanically induced polarization and phase fluctuations. These high-frequency fluctuations may limit the ultimate ideality of fiber-coupling into photonic structures. Furthermore, first estimations show that they may currently limit the storage time of nanofiber-based atom traps. The model, on the other hand, provides a method to design TOFs with tailored mechanical properties in order to meet experimental requirements. rn

Erzeugung vakuumultravioletter Strahlung durch Vierwellenmischen in einer Hohlfaser

In dieser Arbeit wird die Entwicklung und experimentelle Umsetzung einer kontinuierlichen, kohärenten Lichtquelle im vakuumultravioletten Wellenlängenbereich um 122 nm präsentiert. Diese basiert auf der nichtlinearen optischen Summenfrequenzmischung dreier Fundamentallaserstrahlen in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Hohlfaser. Die Wellenlängen der fundamentalen Laser sind dabei an der Niveaustruktur des Quecksilbers orientiert, um eine mehrfach resonante Überhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität zu erreichen. Der transversale Einschluss der Lichtfelder in der Faser verlängert die Wechselwirkungszone mit dem nichtlinearen Medium um mehrere Größenordnungen gegenüber dem Regime fokussierter Strahlen und erlaubt so signifikante Steigerungen der Mischeffizienz.rnrnIm Zuge dieser Arbeit wurde neben einer umfassenden mathematischen Analyse des nichtlinearen Mischprozesses unter Einfluss der Fasercharakteristika eine Apparatur zur Erzeugung und Detektion vakuumultravioletter Strahlung entwickelt. Die Generierung ausreichend hoher Dampfdichten innerhalb des 50 µm durchmessenden Faserkerns konnten spektroskopisch nachgewiesen werden.rnrnDas erste erfolgreiche Summenfrequenzmischen zu 121,26 nm in der Faser wurde demonstriert. Die erzielten Mischeffizienzen sind bereits mit denen vergleichbar, welche unter Verwendung fokussierter Strahlen erreicht werden, obwohl eine Phasenanpassung in der Faser bisher nicht möglich war. Die Ergebnisse dieser Arbeit markieren damit einen wichtigen Schritt hin zu Leistungssteigerungen kohärenter, kontinuierlicher vakuumultravioletter Lichtquellen.rnrnEine solche Quelle wird für zukünftige Laserkühlung von magnetisch gefangenem Antiwasserstoff auf dem Lyman-Alpha Übergang, sowie die Rydberganregung von Calciumionen in einer Paulfalle zur Implementierung quantenlogischer Operationen benötigt.rnrnFerner hat eine Untersuchung der, für eine effiziente Konversion essentiellen, 6^1S_0 - 7^1S_0 Zwei-Photonen Resonanz in Quecksilber Hinweise auf eine bis dato experimentell nicht beobachtete, auf einer Mehr-Photonen Anregung beruhende Licht-induzierte Drift ergeben.

Accelerating Diffraction-free Beams in Photonic Lattices

We study nondiffracting accelerating paraxial optical beams in periodic potentials, in both the linear and the nonlinear domains. In particular, we show that only a unique class of z-dependent lattices can support a true accelerating diffractionless beam. Accelerating lattice solitons, autofocusing beams and accelerating bullets in optical lattices are systematically examined.

A new hard-particle model for anisotropic fluids

We report a new hard-particle model system consisting of hard cylinders, we have determined the geometrical conditions that let us know whether or not two given cylinders overlap. In addition we have carried out Monte Carlo simulations sampling the canonical ensemble on this system, the numerical results indicate that this system exhibits mesomorphic behaviour.