Authors:	Wuttke, Christian
Title:	Thermal excitations of optical nanofibers measured with a fiber-integrated Fabry-Pérot cavity
Online publication date:	12-May-2014
Year of first publication:	2014
Language:	english
Abstract:	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 lightâ 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 Die effiziente Kopplung von Licht an Materie, z.B. Atome, Moleküle oder Quantenpunkte, ist eine der großen Herausforderungen der aktuellen Forschung. Ein Ansatz besteht darin, den Emitter in das evaneszente Feld eines subwellenlängen Lichtleiters einzubringen, durch den das Lichtfeld auf eine extrem kleine Querschnitts-fläche konzentriert wird. In diesem Zusammenhang haben sich optische Nanofasern mit subwellenlängen Durchmessern bewährt. Diese können als Teil einer verjüngten Glasfaser realisiert werden, in denen gleichzeitig des Lichts vollständig von der Glasfaser in die Nanofaser geleitet wird.rnEin weiterer Ansatz zur Verbesserung der Wechselwirkung von Licht und Materie besteht darin, einen Resona-tor zu verwenden in dem das Licht den Emitter mehrfach passiert. Diese beiden Ansätze werden in dieser Ar-beit durch einen Resonator mit integrierter Nanofaser vereint. Dazu werden zwei Bragg-Spiegel mit einem Sperrband nahe der Wellenlänge der Cäsium D2-Linie in die Faser integriert, so dass sie einen Fabry-Pérot Re-sonator ergeben. Die Eigenschaften dieses Resonators erfüllen die Anforderungen für Experimente der nichtli-nearen Optik und der Resonator-Quantenelektrodynamik im Regime starker Wechselwirkung. Seine einfache Handhabung in Kombination mit vorteilhaften Eigenschaften, z.B. eine konstant hohe Wechselwirkungseffizienz entlang der Nanofaser, Verstimm¬barkeit, monolithischer Aufbau und hohe Transmission im Durchlassbereich der Spiegel, machen diesen Resonator zu einem vielversprechenden Werkzeug, für Experimente mit stark an das Licht gekoppelten Atomwolken.rnDie hohe Empfindlichkeit des Resonators auf Änderungen der optischen Eigenschaften der Nanofaser ermög-licht die Bestimmung von physikalischen Parametern die die Lichtmode beeinflussen, z.B. die Temperatur an-hand des thermooptischen Effekts. Dieses Detektionsschema wird hier dazu verwendet, die Dynamik der Thermalisierung durch Wärmestrahlung einer Nanofaser in einem großen Temperaturbereich zu vermessen. Diese Messung bestimmt zum ersten Mal die absolute in das Fernfeld abgestrahlte Wärmestrahlungsleistung eines einzelnen Objekts mit einem Durchmesser, der kleiner ist als alle Absorptionslängen im Wärmestrah-lungsspektrum, und dessen Morphologie und Material bekannt sind. Die Messungen lassen sich hervorragend durch ein ab initio thermo¬dyna¬misches Modell beschreiben, in dem die Wärmestrahlung unter Berücksichti-gung der Geometrie und Größe des Strahlers relativ zur Wellenlänge der Strahlung berechnet wird. Das Studi-um der Wärme¬strah¬lung von mikroskopischen Objekten und deren Modellierungen ausgehend von den Grundprinzipien der Physik, fördert das fundamentale Verständnis und hat wichtige Anwendungen, z.B. das Wärmemanagement in Nanostrukturen oder der Einfluss von Aerosolen auf das Weltklima.rnAnhand einer ähnlichen Methode lässt sich der Effekt von mechanischen Moden der verjüngten Faser auf das die Phase und Polarisation des geführten Licht studieren. Es zeigt sich, dass diese Größen in Fasern mit dem gängigen exponentiellen Radiusprofil, hochfrequente Modulation aufweisen. Diese stammen von thermisch angeregten Torsionsmoden mit hoher mechanischer Güte, die durch den spannungsoptischen Effekt an die optische Mode koppeln. Mittels eines eigens entwickelten optomechanischen Modells, lassen sich genaue quantitative Vorhersagen über das mechanische Spektrum und die optischen Polarisations- und Phasenfluktua-tionen erstellen. Diese Resultate haben wichtige Folgen für Anwendungen von Nanofasern im Ultrahochvakuum. Die hier gemessenen Fluktuationen limitieren höchstwahrscheinlich die Lebensdauer von faserbasierten Atomfallen könnten die ultimative Lichtkopplungseffizienz in photonische Strukturen begrenzen. Andererseits lassen sich nun mittels des Modells Faserprofile mit vorbestimmten mechanischen Eigenschaften realisieren, die den experimentellen Anforderungen angepasst sind.rn
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4242
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-37362
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	185 S.
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