Einfluss der 6 1 S - 6 3 P-Resonanz auf die Lyman-alpha-Erzeugung in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kontinuierliche, kohärente Strahlungsquelle bei 121,56nm, der Lyman-alpha Linie in Wasserstoff, vorgestellt. Diese Lyman-alpha Quelle soll zur zukünftigen Laserkühlung von Antiwasserstoff dienen. Die Strahlung wird durch Vier-Wellen-Mischen in Quecksilberdampf produziert. Dabei wird ein Festkörperlasersystem zur Erzeugung der Fundamentalstrahlen eingesetzt. Zur Erhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität wird die 6^1S-7^1S Zwei-Photonen-Resonanz ausgenutzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines durchstimmbaren ultravioletten Lasersystems die 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz genutzt, was es erlaubt, die nichtlineare Suszeptibilität des Mischprozesses um Größenordnungen zu erhöhen. Um den Einfluss der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz zu untersuchen, wurden zunächst die Phasenanpassungstemperaturen bei verschiedenen Verstimmungen der ultravioletten Strahlung zur 6^3P Resonanz vermessen und festgestellt, dass kleinere Verstimmungen zu niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen führen. Es konnte sowohl theoretisch wie auch experimentell gezeigt werden, dass diese niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen bei kleinen Verstimmungen der Erhöhung der Lyman-alpha Erzeugung durch die größere nichtlineare Suszeptibilität bei kleinen Verstimmungen entgegenwirken. Bei immer kleineren Verstimmungen zur 6^3P Resonanz limitiert die Absorption der ultravioletten Strahlung die Lyman-alpha Erzeugung. Ein positiver Effekt der niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen ist, dass es möglich wird, auf das bisher nötige Puffergas in der Quecksilber-Dampfzelle zu verzichten, was die Lyman-alpha Erzeugung um einen Faktor 1,7 erhöht. Damit war es möglich, die bisherige Effizienz der Lyman-alpha Erzeugung zu verbessern. Es wurde eine Lyman-alpha Leistung von 0,3nW erreicht. Zusätzlich zum Einfluss der 6^3P Resonanz auf die Lyman-alpha Erzeugung wurde ein weiterer Effekt beobachtet. Durch die Nähe der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz wird auch mehr Besetzung in das obere 7^1S Niveau der Zwei-Photonen-Resonanz gepumpt. Dadurch konnte erstmals eine kontinuierliche Lasertätigkeit auf der 6^1P-7^1S Linie in Quecksilber bei 1014nm beobachtet werden.

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.

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.

Femtosecond Rotational Raman Coherence Spectroscopy of Cyclohexane in a Pulsed Supersonic Jet

We combine the technique of femtosecond degenerate four-wave mixing (fs-DFWM) with a high repetition-rate pulsed supersonic jet source to obtain the rotational coherence spectrum (RCS) of cold cyclohexane (C(6)H(12)) with high signal/noise ratio. In the jet expansion, the near-parallel flow pattern combined with rapid translational cooling effectively eliminate dephasing collisions, giving near-constant RCS signal intensities over time delays up to 5 ns. The vibrational cooling in the jet eliminates the thermally populated vibrations that complicate the RCS coherences of cyclohexane at room temperature [Bragger, G.; et al. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 9567]. The rotational cooling reduces the high-J rotational-state population, yielding the most accurate ground-state rotational constant to date, B(0) = 4305.859(9) MHz. Based on this B(0), a reanalysis of previous room-temperature gas-cell RCS measurements of cydohexane gives improved vibration rotation interaction constants for the v(32), v(6), v(16), and v(24) vibrational states. Combining the experimental B(0)(C(6)H(12)) with CCSD(T) calculations yields a very accurate semiexperimental equilibrium structure of the chair isomer of cyclohexane

QUANTUM CORRELATIONS OF LIGHTS IN MACROSCOPIC ENVIRONMENTS

This dissertation presents a detailed study in exploring quantum correlations of lights in macroscopic environments. We have explored quantum correlations of single photons, weak coherent states, and polarization-correlated/polarization-entangled photons in macroscopic environments. These included macroscopic mirrors, macroscopic photon number, spatially separated observers, noisy photons source and propagation medium with loss or disturbances. We proposed a measurement scheme for observing quantum correlations and entanglement in the spatial properties of two macroscopic mirrors using single photons spatial compass state. We explored the phase space distribution features of spatial compass states, such as chessboard pattern by using the Wigner function. The displacement and tilt correlations of the two mirrors were manifested through the propensities of the compass states. This technique can be used to extract Einstein-Podolsky-Rosen correlations (EPR) of the two mirrors. We then formulated the discrete-like property of the propensity Pb(m,n), which can be used to explore environmental perturbed quantum jumps of the EPR correlations in phase space. With single photons spatial compass state, the variances in position and momentum are much smaller than standard quantum limit when using a Gaussian TEM00 beam. We observed intrinsic quantum correlations of weak coherent states between two parties through balanced homodyne detection. Our scheme can be used as a supplement to decoy-state BB84 protocol and differential phase-shift QKD protocol. We prepared four types of bipartite correlations ±cos2(θ12) that shared between two parties. We also demonstrated bits correlations between two parties separated by 10 km optical fiber. The bits information will be protected by the large quantum phase fluctuation of weak coherent states, adding another physical layer of security to these protocols for quantum key distribution. Using 10 m of highly nonlinear fiber (HNLF) at 77 K, we observed coincidence to accidental-coincidence ratio of 130±5 for correlated photon-pair and Two-Photon Interference visibility >98% entangled photon-pair. We also verified the non-local behavior of polarization-entangled photon pair by violating Clauser-Horne-Shimony-Holt Bell’s inequality by more than 12 standard deviations. With the HNLF at 300 K (77 K), photon-pair production rate about factor 3(2) higher than a 300 m dispersion-shifted fiber is observed. Then, we studied quantum correlation and interference of photon-pairs; with one photon of the photon-air experiencing multiple scattering in a random medium. We observed that depolarization noise photon in multiple scattering degrading the purity of photon-pair, and the existence of Raman noise photon in a photon-pair source will contribute to the depolarization affect. We found that quantum correlation of polarization-entangled photon-pair is better preserved than polarization-correlated photon-pair as one photon of the photon-pair scattered through a random medium. Our findings showed that high purity polarization-entangled photon-pair is better candidate for long distance quantum key distribution.

Accurate rotational constant and bond lengths of hexafluorobenzene by femtosecond rotational Raman coherence spectroscopy and ab initio calculations

The gas-phase rotational motion of hexafluorobenzene has been measured in real time using femtosecond (fs) time-resolved rotational Raman coherence spectroscopy (RR-RCS) at T = 100 and 295 K. This four-wave mixing method allows to probe the rotation of non-polar gas-phase molecules with fs time resolution over times up to ∼5 ns. The ground state rotational constant of hexafluorobenzene is determined as B 0 = 1029.740(28) MHz (2σ uncertainty) from RR-RCS transients measured in a pulsed seeded supersonic jet, where essentially only the v = 0 state is populated. Using this B 0 value, RR-RCS measurements in a room temperature gas cell give the rotational constants B v of the five lowest-lying thermally populated vibrationally excited states ν7/8, ν9, ν11/12, ν13, and ν14/15. Their B v constants differ from B 0 by between −1.02 MHz and +2.23 MHz. Combining the B 0 with the results of all-electron coupled-cluster CCSD(T) calculations of Demaison et al. [Mol. Phys.111, 1539 (2013)] and of our own allow to determine the C-C and C-F semi-experimental equilibrium bond lengths r e(C-C) = 1.3866(3) Å and r e(C-F) = 1.3244(4) Å. These agree with the CCSD(T)/wCVQZ r e bond lengths calculated by Demaison et al. within ±0.0005 Å. We also calculate the semi-experimental thermally averaged bond lengths r g(C-C)=1.3907(3) Å and r g(C-F)=1.3250(4) Å. These are at least ten times more accurate than two sets of experimental gas-phase electron diffraction r g bond lengths measured in the 1960s.

Rotational constants and structure of para-difluorobenzene determined by femtosecond Raman coherence spectroscopy: A new transient type

Femtosecond Raman rotational coherence spectroscopy (RCS) detected by degenerate four-wave mixing is a background-free method that allows to determine accurate gas-phase rotational constants of non-polar molecules. Raman RCS has so far mostly been applied to the regular coherence patterns of symmetric-top molecules, while its application to nonpolar asymmetric tops has been hampered by the large number of RCS transient types, the resulting variability of the RCS patterns, and the 10³–10⁴ times larger computational effort to simulate and fit rotational Raman RCS transients. We present the rotational Raman RCS spectra of the nonpolar asymmetric top 1,4-difluorobenzene (para-difluorobenzene, p-DFB) measured in a pulsed Ar supersonic jet and in a gas cell over delay times up to ~2.5 ns. p-DFB exhibits rotational Raman transitions with ΔJ = 0, 1, 2 and ΔK = 0, 2, leading to the observation of J −, K −, A −, and C–type transients, as well as a novel transient (S–type) that has not been characterized so far. The jet and gas cell RCS measurements were fully analyzed and yield the ground-state (v = 0) rotational constants Aₒ = 5637.68(20) MHz, Bₒ = 1428.23(37) MHz, and Cₒ = 1138.90(48) MHz (1σ uncertainties). Combining the Aₒ, Bₒ, and Cₒ constants with coupled-cluster with single-, double- and perturbatively corrected triple-excitation calculations using large basis sets allows to determine the semi-experimental equilibrium bond lengths rₑ(C₁–C₂) = 1.3849(4) Å, rₑ(C₂–C³) = 1.3917(4) Å, rₑ(C–F) = 1.3422(3) Å, and rₑ(C₂–H₂) = 1.0791(5) Å.

Estudio de limitaciones en sistemas WDM

Los avances tecnológicos de los últimos años han modificado el panorama de las comunicaciones ópticas. Los amplificadores EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier) han alterado dos aspectos fundamentales de los sistemas WDM (Wavelength Division Multiplexing): el aumento considerable de las distancias de regeneración y además, la tecnología WDM es un medio más económico de incrementar la capacidad de los sistemas que la tecnología TDM (Time Division Multiplexing). Sin embargo, la implementación de sistemas WDM con grandes tramos sin regeneración de señal óptica trae consigo la aparición de nuevos problemas, entre los que se encuentran las no-linealidades en fibra óptica. Estas no-linealidades en fibras de sílice se pueden clasificar en dos categorías: dispersión estimulada (de Raman y de Brillouin) y efectos debidos al índice no lineal de refracción (automodulación y modulación cruzada de fase y mezcla de cuatro ondas). Este Proyecto Fin de Carrera pretende ser un estudio teórico que refleje el actual Estado del Arte de los principales efectos no-lineales que se producen en los sistemas WDM: dispersión estimulada de Raman (SRS, Stimulated Raman Scattering), dispersión estimulada de Brillouin (SBS,Stimulated Brilfouin Scattering), automodulación de fase (SPM, Self-Phase Modulation), modulación cruzada de fase (XPM, Cross-Phase Modulation) y mezcla de cuatro ondas (FWM, Four-Wave Mixing).

Fermi-edge singularities in linear and nonlinear ultrafast spectroscopy

We discuss Fermi-edge singularity effects on the linear and nonlinear transient response of an electron gas in a doped semiconductor. We use a bosonization scheme to describe the low-energy excitations, which allows us to compute the time and temperature dependence of the response functions. Coherent control of the energy absorption at resonance is analyzed in the linear regime. It is shown that a phase shift appears in the coherent control oscillations, which is not present in the excitonic case. The nonlinear response is calculated analytically and used to predict that four wave-mixing experiments would present a Fermi-edge singularity when the exciting energy is varied. A new dephasing mechanism is predicted in doped samples that depends linearly on temperature and is produced by the low-energy bosonic excitations in the conduction band.

Ultrafast coherent spectroscopy of the Fermi edge singularity

Paper submitted to the XVI Sitges Conference on Statistical Mechanics, Sitges, Barcelona, Spain, 7-11 June 1999.

WDM of solitons in dispersion managed transmission systems

This thesis investigates the physical behaviour of solitons in wavelength division multiplexed (WDM) systems with dispersion management in a wide range of dispersion regimes. Background material is presented to show how solitons propagate in optical fibres, and key problems associated with real systems are outlined. Problems due to collision induced frequency shifts are calculated using numerical simulation, and these results compared with analytical techniques where possible. Different two-step dispersion regimes, as well as the special cases of uniform and exponentially profiled systems, are identified and investigated. In shallow profile, the constituent second-order dispersions in the system are always close to the average soliton value. It is shown that collision-induced frequency shifts in WDM soliton transmission systems are reduced with increasing dispersion management. New resonances in the collision dynamics are illustrated, due to the relative motion induced by the dispersion map. Consideration of third-order dispersion is shown to modify the effects of collision-induced timing jitter and third-order compensation investigated. In all cases pseudo-phase-matched four-wave mixing was found to be insignificant compared to collision induced frequency shift in causing deterioration of data. It is also demonstrated that all these effects are additive with that of Gordon-Haus jitter.

Raman amplification and performance altering effects

This thesis presents an experimental investigation into several applications of the Raman scattering effect in communication optical fibres as well as how some of these applications can be modified to enhance the resulting performance. The majority of the work contained within is based on laboratory results using many commercially available components. The results can be divided into and presented in three main parts: Firstly, a novel application of a known effect is used to broaden Raman pump light in order to achieve a more continuous distribution of gain with respect to wavelength. Multiple experimental results are presented, all based around the prior spreading of the pump spectrum before being used in the desired transmission fibre. Gathered results show that a notable improvement can be obtained from applying such a technique along with the scope for further optimisation work. Secondly, an investigation into the interaction between the well known effect of Four Wave Mixing (FWM) and Raman scattering is provided. The work provides an introduction to the effect as well commenting on previous literature regarding the effect and its mitigation. In response to existing research experimental results are provided detailing some limitations of proposed schemes along with concepts of how further alleviation from the deleterious effects maybe obtained. Lastly, the distributed nature of the Raman gain process is explored. A novel technique on how a near constant distribution of gain can be employed is implemented practically. The application of distributed gain is then applied to the generation of optical pulses with special mathematical properties within a laboratory setting and finally the effect of pump noise upon distributed gain techniques is acknowledged.

Numerical investigation of the impact of reflectors on spectral performance of Raman fibre laser

Using a cavity mode model we study numerically the impact of bandwidth and spectral response profile of fibre Bragg gratings on four-wave-mixing-induced spectral broadening of radiation generated in 6 km and 22 km SMF-based Raman fibre lasers.

Impact of longitudinal power budget in coherent transmission systems employing digital back-propagation

We report the impact of longitudinal signal power profile on the transmission performance of coherently-detected 112 Gb/s m-ary polarization multiplexed quadrature amplitude modulation system after compensation of deterministic nonlinear fibre impairments. Performance improvements up to 0.6 dB (Q(eff)) are reported for a non-uniform transmission link power profile. Further investigation reveals that the evolution of the transmission performance with power profile management is fully consistent with the parametric amplification of the amplified spontaneous emission by the signal through four-wave mixing. In particular, for a non-dispersion managed system, a single-step increment of 4 dB in the amplifier gain, with respect to a uniform gain profile, at similar to 2/3(rd) of the total reach considerably improves the transmission performance for all the formats studied. In contrary a negative-step profile, emulating a failure (gain decrease or loss increase), significantly degrades the bit-error rate.

Comparison of frequency symmetric signal generation from a BPSK input using fiber and semiconductor-based nonlinear elements

This letter compares two nonlinear media for simultaneous carrier recovery and generation of frequency symmetric signals from a 42.7-Gb/s nonreturn-to-zero binary phase-shift-keyed input by exploiting four-wave mixing in a semiconductor optical amplifier and a highly nonlinear optical fiber for use in a phase-sensitive amplifier.