Orbitale Drehimpuls-Moden hoher Ordnung in hellen, gequetschten Vakuumzuständen des Lichts
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir einen theoretischen Ansatz zur Erzeugung von Bahndrehimpulsmoden höherer Ordnung (OAM) in hellen gequetschten Vakuumzuständen von Licht und Photonenpaaren entwickelt und analysiert, der auf parametrischer Fluoreszenz (PDC), Vierwellenmischungsprozessen (FWM) und nichtlinearen SU(1,1)-Interferometern basiert. Zunächst betrachteten wir einen einzelnen nichtlinearen Kristall, der von einer Laguerre-Gauß- Pumpe mit verschiedenen Orbital- und Radialzahlen gepumpt wurde, und analysierten die Modenstruktur des in einem solchen System erzeugten gequetschten Lichts für verschiedene Bereiche: niedrige Verstärkung (Biphotonenpaare) und hohe Verstärkung (helles gequetschtes Vakuum). Wir zeigten, dass die OAM-Verteilung bei nicht-Gaußscher Pumpanregung deutlich breiter wird. Anschließend erweiterten wir das obige System zur Konfiguration eines nichtlinearen SU(1,1)- Interferometers, indem wir einen zweiten, durch einen Luftspalt getrennten Kristall hinzufügten. Wir zeigten, dass eine solche Konfiguration zu dem kontraintuitiven Phänomen einer nichtmonotonen Population von OAM-Moden führt, was das Herausfiltern der gewünschten OAM- Modi durch hohe parametrische Verstärkung ermöglicht. Schließlich betrachteten wir solche Interferometertypen für Winkelverschiebungsmessungen, indem wir ein Dove-Prisma zwischen die beiden Kristalle platzierten und so eine Empfindlichkeit unterhalb der klassischen Schrotrauschgrenze demonstrieren konnten. Um solche hochmultimodalen Systeme im Hochverstärkungsbereich zu beschreiben, haben wir einen theoretischen Ansatz entwickelt, der auf der Lösung eines Systems von Integro- Differentialgleichungen für die Operatoren ebener Wellen basiert. In diesem Ansatz, der auf der gemeinsamen Schmidt-Zerlegung von Übertragungsfunktionen basiert, haben wir breitbandige Schmidt-Moden eingeführt und deren Profile und Quetschen (squeezing) für verschiedene Verstärkungsbereiche charakterisiert. Für die Betrachtung multimodaler SU(1,1)-Interferometer mit hoher Verstärkung haben wir einen verallgemeinerten theoretischen Ansatz entwickelt, der das komplexe Wechselspiel zwischen Moden aus verschiedenen Kristallen im System berücksichtigt. Im Rahmen dieses Projekts haben wir mehrere relevante Ergebnisse für verschiedene Modellsysteme erzielt und neuartige Effekte vorhergesagt. Wir haben Systeme entwickelt, die direkt experimentell umgesetzt werden können und unsere Theorie durch eine gemeinsame theoretisch-experimentelle Arbeit mit unseren experimentellen Partnern sogar einmal testen können. Die entwickelten Designs und vorhergesagten Eigenschaften könnten für zukünftige Anwendungen in Quantentechnologien nützlich sein, die OAM-Modi höherer Ordnung und helle, gequetschte Vakuumzustände des Lichts nutzen.
Link zum Abschlussbericht
https://oa.tib.eu/renate/handle/123456789/32165
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Nonlinear Dielectric Nanoresonators and Metasurfaces: Toward Efficient Generation of Entangled Photons. Laser & Photonics Reviews, 17(4).
Sharapova, Polina R.; Kruk, Sergey S. & Solntsev, Alexander S.
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Phase sensitivity of spatially broadband high-gain SU(1,1) interferometers. Physical Review Research, 5(4).
Scharwald, D.; Meier, T. & Sharapova, P. R.
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Characterization of Schmidt modes in high-gain SU(1,1) interferometers
D. Scharwald & P. R. Sharapova
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Generation of polarization-entangled counter-propagating photons with high orbital angular momentum. New Journal of Physics, 27(6), 064106.
Wagner, Elisabeth; Schmidt, Mikołaj K.; Steel, Michael J. & Sharapova, Polina R.
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Nonlinear squeezing generation via multimode PDC and single photon measurement. Optics Express, 33(6), 14000.
Kala, Vojtěch; Kopylov, Denis; Marek, Petr & Sharapova, Polina
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Schmidt modes carrying orbital angular momentum generated by cascaded systems pumped with Laguerre–Gaussian beams. APL Photonics, 10(1).
Scharwald, D.; Gehse, L. & Sharapova, P. R.
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Simultaneous measurement of multimode squeezing through multimode phase-sensitive amplification. Optica Quantum, 3(1), 36.
Barakat, Ismail; Kalash, Mahmoud; Scharwald, Dennis; Sharapova, Polina; Lindlein, Norbert & Chekhova, Maria
