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Ultrafast nonlinear optics: from spectral to time domain applications
Ort / Verlag
Paderborn
Erscheinungsjahr
2019
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 17.12.2018
ger: Nichtlineare Ultrakurzpulsoptik befasst sich mit Frequenzmischprozessen auf Femto- und Pikosekundenskalen. Neue Fragestellungen in der Quantenoptik erfordern dabei neuartige, besonders auf bestimmte Aufgaben zugeschnittene Frequenzkonversionsprozesse. In dieser Arbeit werden die dispersiven Eigenschaften nichtlinearer optischer Materialien gezielt zur Entwicklung funktionaler Strukturen eingesetzt werden. Die zugrundeliegenden Prinzipien werden anhand bereits existierender Strukturen wie dem Quantenpulsgatter und Photonenquellen auf Basis parametrischer Fluoreszenz systematisch zusammengefasst und neue Anwendungen demonstriert. Diese Anwendungen umfassen die Manipulation und Messung von Einzelphotonen. Sowohl bei Bandbreitenkompression als auch bei Differenzfrequenz-Pulsformung wird das Spektrum kurzer Pulse effizient umgeformt. Beide Ansätze werden demonstriert, und im Fall der Bandbreitenkompression können besonders niedrige Rauschwerte erreicht werden. Die zeitliche Pulsform von Einzelphotonen wird durch ein effizientes Rasterverfahren vermessen, wodurch Rückschlüsse auf die Quantenstruktur des Lichts möglich werden. Das Konzept der Dispersionsoptimierung wird letztendlich auf Anwendungen im Zeitbereich angewendet. Der Einfluss nichtlinearer Prozesse auf die zeitliche Pulsform wird untersucht, was zur Entwicklung eines Summenfrequenzerzeugers zur Abbildung ultrakurzer Pulse führt. In einem ersten Experiment wird die nötige Effizient zur Messung von Quantenlicht demonstriert.
eng: Ultrafast nonlinear optics deals with frequency mixing processes on timescales as short as several hundred femtoseconds. Novel applications in quantum optics demand advanced devices tailored for specific tasks. This thesis addresses the concept of dispersion engineering, in which the dispersive properties of nonlinear materials are used to control the functional properties of nonlinear devices. The concept is reviewed in the light of previously developed processes, namely the quantum pulse gate (QPG) and parametric down-conversion (PDC) sources and novel applications are demonstrated. These applications include measurement and manipulation of single-photon pulses. Bandwidth compression and difference-frequency generation pulse shaping, where the spectrum of photons is efficiently reshaped, is demonstrated and the low-noise properties of the process are verified. Cross-correlation measurements on PDC photons are performed and their implication on these quantum states of light is outlined. Spectral domain dispersion engineering is extended to the application of time-domain upconversion. Here, the dispersive, i.e. spectral properties of nonlinear materials are linked to their impact on the temporal structure of the converted pulses. The resulting formalism is used to develop a time domain upconverter capable of reliably imaging femtosecond to picosecond pulses. In a proof-of-principle experiment, sufficient efficiency for single-photon level operation is demonstrated.