Ultradünne Glasfasern als Werkzeug zur Kopplung von Licht und Materie

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind ultradünne Glasfasern, die als neuartiges Werkzeug für die Kopplung von Licht und Materie eingesetzt werden. Die zugrunde liegende Idee hierbei ist, die Materie (Atome, Moleküle, etc.) an das evaneszente Feld nahe der Oberfläche zu koppeln, welches einen großen Anteil der Leistung des geführten Lichts beinhaltet. Es wird untersucht, welche Maßnahmen der Formgebung bzw. der Mikrostrukturierung von ultradünnen Glasfasern die Feldstärke an der Oberfläche im Verhältnis zu der Feldstärke im Zentrum der Glasfaser erhöhen. <br /> Kapitel 1 berichtet von Aufbau und Optimierung einer Glasfaserziehanlage, mit der ultradünne Glasfasern mit einem Durchmesser kleiner als die Wellenlänge des geführten Lichts und mit einer Länge von bis zu einigen Zentimetern aus kommerziell erhältlichen Glasfasern reproduzierbar und mit hoher Präzision hergestellt werden. Dabei wird bis zu 97 % des in die Glasfaser gekoppelten Lichts durch die gesamte Struktur transmittiert. <br /> Die Eigenschaften der evaneszenten Felder und ihr Potential zur Kopplung von Licht und Materie werden in Kapitel 2 anhand der Spektroskopie von dünnen, an der Faseroberfläche abgeschiedenen Filmen eines organischen Moleküls (PTCDA) untersucht. Dabei wird theoretisch und experimentell gezeigt, dass die spektroskopische Empfindlichkeit für geringe Bedeckungen gegenüber konventionellen Methoden um mehrere Größenordnungen gesteigert wird. Mit der faserbasierten Methode wird erstmals die Dynamik der Strukturveränderung einer sub-Monolage von PTCDA auf Glas an Luft und bei Raumtemperatur beobachtet. <br /> In Kapitel 3 werden die Möglichkeiten untersucht, zwei verschiedene Typen von Resonatoren aus Glasfasern zu formen. Zum einen wird ein Bragg-Spiegel in einer ultradünnen Glasfaser hergestellt und die spektrale Reflexion qualitativ gemessen. Zum anderen wird ein neuartiger Resonatortyp aus der Taille einer 16 µm dicken Glasfaser erzeugt. Licht aus einer ultradünnen Koppelfaser wird mit einer Effizienz von bis zu 99,3% in eine Flüstergalerie-Mode des Resonators gekoppelt und die Abstimmbarkeit des Resonators über mehr als einen freien Spektralbereich von etwa 100 GHz demonstriert. Die Güte der gemessenen Resonanzen wird auf etwa 10⁵ bestimmt, und die limitierenden Einflüsse werden diskutiert. Abschließend wird eine Methode zum Bestimmen der Quantenzahlen einer Resonatormode entwickelt. <br /> Die Arbeit leistet einen Beitrag für die Verwendung von ultradünnen und strukturierten Glasfasern zur Kopplung von Licht und Materie und ermöglicht zukünftige Anwendungen im Bereich der Quantenoptik.

<strong>Ultra thin glass fibers as a tool for coupling light and matter</strong><br /> This thesis presents an examination of ultrathin glass fibers as a novel tool for coupling light and matter. As a basic concept, matter, i.e. atoms, molecules, etc., will be coupled to the evanescent field in the vicinity of the fiber surface, which contains a large portion of the power of the guided light. Here, the effects of forming and microstructuring of these fibers on the field strength at the surface relative to the field strength in the center of the fiber are studied. <br /> Chapter 1 reports on the construction and optimization of a pulling system for glass fibers, which can be used to reproducibly manufacture subwavelength diameter fibers of centimeters length from standard glass fibers with high accuracy. The transmission through the whole structure is measured to be up to 97 %. The properties of the evanescent field and its potential for coupling of light and matter are analyzed in chapter 2 by spectroscopy of thin surface adsorbed films of organic molecules (PTCDA). It is theoretically and experimentally shown that the spectroscopic sensitivity can be increased by several orders of magnitude with respect to conventional techniques. This method allows for the first time the observation of sub-monolayer dynamics of structural changes of PTCDA on glass at ambient conditions. <br /> In chapter 3 two types of resonators, which can be built from glass fibers, are investigated. Firstly, a Bragg-mirror is integrated into an ultrathin glass fiber and the reflectivity is measured qualitatively. The second resonator type can be formed from a 16 µm thick fiber. Selective coupling of light from an ultrathin fiber into a whispering-gallery mode of the resonator is realized with an efficiency of 99,3% and tuning of the resonance frequency by more than one free spectral range of order 100 GHz is demonstrated. The quality factor of the excited modes has been measured to be of order 10⁵ and limitations are discussed. Finally, a method is developed to determine the quantum numbers of a resonator mode. <br /> Thereby, this thesis makes a contribution towards the utilization of ultrathin and structured glass fibers to couple light and matter and opens the route to fiber-based quantum optics experiments.