Generation of squeezed light with nanofiber-trapped atoms

Abstract

Ultra-dünne Glasfasern haben sich in den vergangenen Jahren als eine vielseitige Licht-Materie Schnittstelle erwiesen, bei der sich eine Fülle an nano-optischen Phänomenen mit guter experimenteller Handhabung verbinden. In diesem Zusammenhang wurde 2010 erstmals eine Dipolfalle für lasergekühlte Atome demonstriert, basierend auf dem evaneszenten Feld einer solchen Nanofaser. Seitdem wurde ein reichhaltiger Werkzeugkasten zur Kontrolle und Manipulation dieser faser-gefangenen Ensembles entwickelt. Insbesondere ermöglicht diese Schnittstelle Zu gang zu optischen Nichtlinearitäten welche sich auch noch auf dem Level einzelner Photonen auswirken. Dies warf die Frage nach der Realisierung nicht-klassischer Zustände auf, etwa von gequetschtem Licht. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein neuer experimentel ler Aufbau zum Fangen von laser-gekühlten Cäsium-Atomen im evaneszenten Feld einer Nanofaser geschaffen. Im ersten Teil der Arbeit beschreibe ich die Planung und Konstruktion des Experimentes und weise experimentell nach, dass Atome gefangen werden. Der Aufbau beinhaltet eine Reihe technischer Verbesserungen im Vergleich zu bisherigen nanofaser-basierten Dipol fallen. Dazu zählen die Verwendung sogenanter magischer Wellenlängen, welche die spektrale Verbreiterung des gefangenen Ensembles reduzieren, verbesserter optischer Zugang dank der Verwendung einer Glass-Vakuumküvette, sowie ein transversal beweglicher Faserhalter zur Op timierung des Überlapps zwischen Atomwolke und der Taille der Nanofaser. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die experimentelle Beobachtung von gequetschtem Licht, welches durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern realisiert wird. Dazu weise ich das Squeezing nach und untersuche die Skalierung desselben bezüglich Leistung und Verstimmmung des Testfeldes. Zudem wird gezeigt, wie sich das Spektrum des aus der Faser austretenden Feldes qualitativ mit der Anzahl der gefangenen Atome ändert. Insbesondere wird nachgewiesen, dass bei ausreichender Atomzahl Seitenbänder im Spektrum erzeugt werden. Die Erzeugung von gequteschtem Licht beruht in den meisten Fällen auf einer starken Nichtlinearität, welche durch optische Resonatoren oder nicht-lineare Kristalle gewährleistet wird. Die vorliegende Arbeit weist jedoch nach, dass gequetschtes Licht auch durch ein Ensemble von schwach gekoppelten Emittern erzeugt werden kann. Dadurch eröffnen sich neue Perspektiven für nicht-lineare Licht-Materie Schnittstellen, welche einen elementaren Baustein für zukünftige Quantennetzwerke darstellen.

Ultra-thin tapered optical fibers have emerged as a versatile light-matter interface in recent years that combine a rich set of nano-optical features with good experimental accessibility. In this context an evanescent field dipole trap for laser cooled atoms was demonstrated for the first time in 2010 and since then a great set of experimental techniques was developed to control and study the trapped atom ensemble. Specifically, such interfaces can access the optical non-linearity of the ensemble that extends down to the single photon level. This sparked the question of realising non-classical states of light such as squeezed light. In this context we constructed an experimental apparatus that realises an optical dipole trap for laser cooled Cesium atoms in the evansecent field of a nanofiber. In the first part of this thesis I describe the design and construction of the experiment and prove that atoms are trapped. The setup contains a number of technical improvements compared to previous realisations of nanofiber-based dipole traps. These include the use of magic wavelengths that reduce spectral broadening of the trapped ensemble, improved optical access through placing the nanofiber in a glass cell, and a tranversally translateable fiber holder to optimize overlap between fiber waist and atom cloud. The second part of the thesis describes the experimental observation of squeezed light generated from a nanofiber-trapped ensemble of atoms. I demonstrate the squeezing and study the scaling with respect to the probe detuning and intensity. Our apparatus also allows us to study the spectrum of the optical field exiting the nanofiber and I show that this spectrum differs qualitatively for different sizes of the atomic ensemble. Specifically, I show that sidebands appear in the spectrum for sufficiently large ensembles. Typically, the generation of squeezed light requires very strong non-linearities which are usually achieved through optical cavities or non-linear crystals. In this work I show that squeezed light can also be obtained from an ensemble of weakly coupled emitters. This suggests new perspectives for non-linear light-matter interfaces that are an essential building block for future optical quantum networks.