Rubidium resonant squeezed light from a diode-pumped optical-parametric oscillator

Abstract

La luz comprimida (squeezed light) es uno de los componentes importantes de los experimentos de memorias cuánticas. Un almacenamiento eficiente<br/>de la luz comprimida en una colectividad de átomos exige que la luz (comprimida) sea resonante a la línea espectral de absorción. El láser de diodo<br/>puede acceder a una amplia clase de líneas espectrales dado al amplio rango de longitudes de onda accesibles. Por lo tanto, el uso de fuentes de luz comprimida basadas en láseres de diodo ampliaría el número de los posibles experimentos. Además, los láseres de diodo reúnen muchas buenas<br/>características como son su construcción robusta y compacta, simplicidad y bajo precio. La única desventaja de los láseres diodo es el ruido de la fase que resulta en un ensanchamiento de sus líneas espectrales.<br/>Esta tesis describe estudios experimentales y teóricos de generación de estados de luz omprimida en cuadratura y polarización, adecuados para la<br/>interacción con átomos de rubidio. En ese ocumento damos una atención especial al ruido de fase y sus efectos en el grado de compresión de la luz<br/>y los métodos para lograr luz comprimida en presencia de ruido de fase generado en el láser de diodo.<br/>La tesis está estructurada de la siguiente manera:<br/>El primer capítulo presenta las ideas generales de la conversión paramétrica de frecuencia (parametric downconversion) en un oscilador paramétrico<br/>óptico. Aquí derivamos la descripción teórica de la luz comprimida en un oscilador paramétrico óptico operado por debajo del nivel umbral.<br/>El segundo capítulo describe el aparato experimental. Primero, damos una descripción detallada del diseño de la cavidad paramétrica óptica y<br/>resumimos las propiedades del cristal no lineal. A continuación, pasamos a describir el láser y los sistemas usados para la estabilización del sistema<br/>láser y de la cavidad del oscilador. En el tercero se discute la ganancia de amplificación y la eficiencia de detección. Por último damos una descripción<br/>general del experimento y presentamos los resultados en la compresión cuántica ("squeezing") de la luz.<br/>El último capítulo analiza los efectos de ruido de fase en el "squeezing" de cuadratura y describe una técnica para eliminar su efecto. Primero,<br/>discutimos el origen del ruido de fase para sistemas de láser de diodo. Segundo, derivamos el grado observable de "squeezing", teniendo en cuenta<br/>los efectos de fluctuaciones cuasi-estacionarias de frecuencia. Por último, mostramos cómo los efectos del ruido de fase pueden ser eliminados y<br/>comparamos la predicción teórica con nuestros resultados experimentales.<br/>El resultado de este proyecto es una fuente de luz no-clásica resonante con la transición atómica del rubidio. Caracterizamos el "squeezing" del estado<br/>de vacío cuántico resultante. El máximo grado de compresión logrado en el experimento fue 2.5dB por debajo del nivel de ruido cuántico. Además<br/>realizamos un análisis del efecto que el ruido de fase tiene en el grado de compresión. Los resultados de este análisis mostraron que en presencia de<br/>ruido de fase se espera que el "squeezing" dependa del retardo relativo entre el haz de luz comprimida y el oscilador local. Comprobamos<br/>experimentalmente esta hipótesis y medimos el grado de compresión como una función del retardo entre la luz comprimida y el oscilador local. Los<br/>resultados experimentales obtenidos fueron consistentes con la teoría.<br/>Aparte de construir una fuente luz comprimida resonante con rubidio, hemos probado que el láser de diodo es una fuente adecuada para la producción<br/>de luz comprimida. Hemos proporcionado una teoría que trata el efecto de ruido de fase en el grado de compresión de la luz en un oscilador<br/>paramétrico óptico. El aparato experimental presentado aquí utiliza técnicas estándar que podrían ser aplicadas a una variedad de otras longitudes de ondas.

This thesis describes experimental and theoretical studies of generation of quadrature- and polarization-squeezed light suitable for interaction with rubidium atoms. Special attention is paid to phase noise, its effects on squeezing, and methods to achieve squeezing in the presence of diode laser phase noise.<br/>Squeezed light is an important component of quantum memories experiments. Efficient storage of (squeezed) light in atomic ensembles requires the<br/>light to be resonant to the respective atomic transition. Diode lasers can access many atomic transitions as they cover significantly broader wavelength<br/>range than other classes of lasers. Consequently, employing diode-laser-based squeezed light sources would broaden the range of possible quantum<br/>memories experiments. Furthermore, diode lasers posses many attractive features like robustness, simplicity, compactness, and low price. The<br/>drawback of the diode laser is it's excess phase noise, which results in a relatively large linewidth. This forms an obstacle for detection of phasesensitive quantum states such as quadrature squeezing.<br/>The thesis is structured as follows:<br/>The first chapter presents the general ideas on parametric downconversion in an optical parametric oscillator. Here we derive the theoretical description<br/>of squeezing of the light field in a subthreshold optical parametric oscillator.<br/>The second chapter describes the experimental apparatus. First, we give a detailed description of the design of the optical parametric oscillator cavity<br/>and summarise the properties of the nonlinear crystal. In continuation, we describe the laser system and the locking systems used for the laser system<br/>and the optical parametric oscillator cavity stabilisations. Third, we discuss the amplification gain and the detection efficiency. Finally, we give a full<br/>overview of the experiment and we present the squeezing results.<br/>The last chapter analyses the effects of phase noise on quadrature squeezing and describes a technique to eliminate its effect. First, we discuss the<br/>origin of the phase noise for diode laser systems. Second, we derive the observable squeezing taking into account the effects of quasi-static frequency<br/>fluctuations. Third, we show how the effects of the phase noise can be eliminated and, last but not least, we compare the theoretical prediction with our<br/>experimental results.<br/>The outcome of this project is a rubidium resonant source of non-classical light. We characterised the output squeezed vacuum state. The maximum<br/>squeezing achieved in the experiment was 2.5dB below shot-noise level. Moreover, we performed an analysis of the effect the phase noise has on the<br/>squeezing. The results of this analysis showed that in presence of phase noise we expected that the squeezing level would depend on the relative<br/>delay between squeezing and local oscillator path. We experimentally tested this statement performing a measurement of squeezing as a function of<br/>the delay between the squeezed light and the local oscillator. The experimental results were consistent with the theory.<br/>Apart form building a source of rubidium resonant squeezed light we have proven that the diode laser is a source suitable for production of squeezed<br/>light. We provided a theory which treats the effect of phase noise on squeezing in optical parametric oscillator.<br/>The experimental squeezing apparatus presented here uses standard techniques which could be applied to a variety of other wavelengths.