Quantenelektronik
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Slide title • Text 1 Kernfachvorstellung Physik Quantenelektronik • Text 2 Text 3 Text 4 Prof. Ursula Keller Department of Physics, Institute for Quantum Electronics, ETH Zurich, Switzerland www.ulp.ethz.ch Ultrafast Laser Physics ETH Zurich The International Year of Light 2015 FS 2015 Prof. U. Keller FS 2016 Prof. U. Keller Wegleitung 2012 http://www.phys.ethz.ch/phys/documents/education/bachelor_wegl_2012.pdf Bachelor- und Master-Studiengang Fokus: Quantenelektronik FS 16, Kernfach Quantenelektronik, Bachelor-Studiengang Master-Studiengang: (English) Kernfächer: Quantum Optics Ultrafast Laser Physics Quantum Information Processing Specialized courses: many! (not necessarily every year, also for Ph.D. students) 1 Institute of Quantum Electronics www.iqe.phys.ethz.ch “Vorlesungen – Uebersicht und Empfehlungen” Zusätzliche Vorlesungen (mit IQE Profs): Terahertz Technology and Applications Accelerator-Based Science from Quantum Information to Biophysics Ultrafast Methods in Solid State Physics Optical properties of semiconductors Intersubband optoelectronics Nanomaterials for Photonics Experimental Methods in Electro and Quantum Optics Advanced Quantum Optics Cavity QED and Ion Trap Physics Experimental and Theoretical Aspects of Quantum Gases Webpages – contact info für Semester- und Masterarbeiten “Vorlesungen – Uebersicht und Empfehlungen” Frontiers of Quantum Gas Research: Few- and Many-Body Physics Slide title Zusätzliche Vorlesungen (D-PHYS): Ultrafast Processes in Solids Zusätzliche Vorlesungen (andere Departemente): Crystal Optics with Intense Light Sources Nano-Optics Nonlinear Optics Optical Communication Introduction to chemical reaction kinetics Advanced kinetics 2 Wie finde ich eine Semester und Masterarbeit? Beispiel: Gruppe Keller, www.ulp.ethz.ch Department of Physics http://www.phys.ethz.ch/phys/education/bachelor/syllabi/qe/ Institute for Quantum Electronics Ultrafast Laser Physics Department of Physics Institute for Quantum Electronics Open Positions Ultrafast Laser Physics Student research projects The Ultrafast Laser Physics group is engaged in developing and applying the physics of lasers, semiconductors, and measurement technologies. Ultrafast High-Power Lasers Read more Interested in a Semester or Master Theses? PhD Positions: Attoscience team Novel attosecond pulse generation schemes and application to time-resolved studies Ultrafast High-Power Lasers with Thin-Disk Lasers and Mid-IR OPCPA Read more ULP - Ultrafast Laser Physics Kontaktperson We explore and push the frontiers in ultrafast science and technology, using interdisciplinary understanding of the physics of lasers, semiconductors, and measurement technologies. Taking this competitive know-how, we understand and are able to control fundamental charge and energy transport with atomic spatial and attosecond temporal resolution. Ultrafast Laser Physics The NCCR MUST is an interdisciplinary research program launched by the Swiss National Science Foundation in 2010. Semester & Master Thesis Open Positions Department of Physics Upcoming Events Institute for Quantum Electronics Monday, 14 September 2015 Resonances in photoionization cross sections and delays Read more ULP open positions Seminar Speaker: Prof. Dr. Eva Lindroth, Stockholm University 16:45 - 18:00 Time ETH Zurich, Hoenggerberg HPF G The NCCR MUST is an interdisciplinary research program launched by the Swiss National Science Foundation in 2010. 6 Open Positions We regularly offer various projects within the field of laser development and laser application. If you would like to build your own laser or if you are interested in the optoelectronic properties of How to find technologically relevant semiconductors, this is the place to ask! There is furthermore the possibility to work on more theoretical ULP location projects, either analytical or computer simulation based. We also seek students who would like to design electronic circuits and systems for Contact data readout. ETH Zurich D-PHYS Ultrafast Laser Physics ULP open positions News Drop by or get in touch with Aline! How to find us 29.04.2015 us ULP location MUST highlight How long does it take to remove electrons from noble metal surfaces and what processes govern the underlying dynamics? Read more ETH Zurich SPIE Newsroom Hollow-core photonic crystal fibers for high-power, ultrafast lasers Read more 15.12.2014 Auguste-Piccard-Hof 1 8093 Zürich Contact D-PHYS Ultrafast Laser Physics 31.03.2015 Auguste-Piccard-Hof 1 8093 Zürich Switzerland +41 44 633 24 00 MUST highlight +41 44 633 10 59 Breakdown of the dipole approximation with a longer wavelength - initially maybe unexpected? Read more E-mail (in German) Wir bieten regelmässing vielfältige Projekte in den Switzerland Bereichen Lasertechnologie und –anwendung an. Wenn Du gerne +41 44 633 24 00 mal einen Laser selber bauen möchtest oder dich die +41 44 633 10 59 optoelektronischen Eigenschaften von technologisch relevanten The NCCR MUST is an Halbleitern interessieren, bist du hier richtig! Ausserdem werdenE-mail interdisciplinary research theoretisch orientierte Arbeiten vergeben, sowohl analytisch als auch program launched by the Swiss Computer-basiert. Bei Interesse kannst du bei uns auch elektronische National Science Foundation in Schaltungen und Systeme zur Datenerfassung entwickeln. 2010. Komm doch einfach mal bei uns vorbei oder melde dich bei Aline! Open Positions ULP open positions Current Projects How to find us Masterthesis Thomas Femtosecond thin disk lasers achieve nowadays the highest average power and pulse energy of any ultrafast oscillator. On the way of increasing the current record towards kilowatt average power levels, respectively millijoule pulse energies, one of the laser’s most vital components in terms of thermal management and optical quality is the semiconductor saturable absorber mirror (SESAM). This master thesis aims at testing the influence of different contacting techniques for SESAMs on their performance. In particular, one aims at replacing the GaAs substrate by other substrates with improved thermal properties, such as CuW, SiC, or diamond. This can be achieved by growing the SESAM “right side up” and afterwards replacing the GaAs layer with a substitute, or by growing the structure “upside down” and subsequent contacting on the heat sink from the top side. SESAM parameters and thermal behaviors for these different growth techniques will be measured and evaluated, and the results will be Quantenelektronik I – Kap. 1 1. Interferenz und Kohärenz ULP location Contact ETH Zurich D-PHYS Ultrafast Laser Physics Auguste-Piccard-Hof 1 8093 Zürich Switzerland +41 44 633 24 00 Quantenelektronik I – Kap. 2 +41 44 633 10 59 E-mail 2. Dispersion und lineare Wellenpaketausbreitung • Definition von Interferenz und Kohärenz • Interferometer: Michelson, Mach-Zehnder, und Sagnac • Fabry-Perot • Vielschichtensysteme und Matrix-Methode • Kohärenz k1 • Wellengleichung im Spektralraum: Helmholtzgleichung • Lineare versus nichtlineare Wellenausbreitung • Lichtpulse (Wellenpakete) • Lineare Pulsausbreitung Λ Interferenzmuster k2 k1 Spezielle Wiederholung (je nach Wunsch): Fresnel-Formeln für dielektrische Grenzflächen, BrewsterWinkel, Kritischer Winkel für Totalreflexion, Quergedämpfte Welle bei der Totalreflexion E ( z,t ) = E0 ei(ω t−kz ) E ( t ) = A ( t ) eiω 0t 3 Classical and Quantum Dynamics Quantenelektronik I – Kap. 3 Quantum mechanics: Ehrenfest’s theorem p d x = dt m 2 d d ∂V m 2 x = p = − dt dt ∂x 2 p + V ( x) 2m H= ⇒ The more “classical” equation would have been: ∂V ( x d p =− dt ∂ x Therefore, x p and 3. Fourier-Optik • Motivation für eine räumliche Fourier-Transformation • Lineare Wellenausbreitung einer beliebigen Wellenfront • Bildverarbeitung durch räumliches Filtern • Beugung • Holographie ) f(x) follow the classical trajectories only for: • compact wavefunctions (small widths) x • little dispersion or short times or nearly harmonic potentials Beliebige Wellenfront und beliebiges Bild Eine beliebige Wellenfront f(x) kann in eine Summe oder Integral von ebenen Wellen mit unterschiedlichen Wellenvektoren oder räumlichen Frequenzen mit komplexen Amplituden zerlegt werden. ( ) −i k x+k y F kx , ky e ( x y ) Bildverarbeitung durch räumliches Filtern Fig. 13 Eine beliebige Wellenfront f(x) kann in eine Summe oder Integral von ebenen Wellen mit unterschiedlichen Wellenvektoren oder räumlichen Frequenzen mit komplexen Amplituden F ν x zerlegt werden. f(x) ( ) x ∑ F (ν ,ν ) f ( x, y ) x y Fig. 14 Ein beliebiges Bild f(x,y) kann in eine Summe oder Integral von harmonischen Funktionen mit unterschiedlichen räumlichen Frequenzen und mit komplexen Amplituden F ν x ,ν y zerlegt werden. ( f ( x, y ) = 1 4π 2 ∫∫ F (k , k ) e x y ( −i kx x+ky y ( ) ) ) dk dk = F ν , ν e −i2 π (ν x x+ν y y) dν dν x y x y ∫∫ x y Skript, Kap. 5, S. 19-20 4 Fraunhofer Beugung an einer runden Blende Laser Light amplification by stimulated emission of radiation spontan emittiertes Licht in alle Richtungen# Laserstrahl ausgekoppelt# Spiegel 2# Spiegel 1# stimulierte Emission von Licht in der Laserstrahlachse # Skript, Kap. 5, S. 28 Quantenelektronik I – Kap. 4 Energie Input (Licht, Strom, …)# Doppelbrechung (“birefringence”) 4. Grundlagen des Lasers • Einleitung • Spontane und stimulierte Emission (Einstein-Koeffizienten) • Pumpen von Laser • Verschiedene Lasertypen • Axiale Moden und Spektrallinien • Ratengleichungen eines 4-Niveau-Lasers • Experimentelle Parameter eines Lasers • Laserresonatoren und Lasermoden spontan emittiertes Licht in alle Richtungen# Spiegel 2# Spiegel 1# stimulierte Emission von Licht in der Laserstrahlachse # Energie Input (Licht, Strom, …)# 5 Quantenelektronik I – Kap. 5 Interferometer mit polarisierendem Strahlenteiler 5. Lineare Wellenausbreitung in optisch anisotropen Medien • Dielektrischer Tensor • Phasengeschwindigkeit und Strahlengeschwindigkeit • Die Fresnel-Formeln zur Lichtausbreitung in Kristallen • Indexellipsoid oder optische Indikatrix • Normalenflächen oder kn-Fläche • Optische Klassifizierung von Kristallen • Optische Eigenschaften von uniaxialen Kristallen • Doppelbrechung und Polarisationselemente • Dichroismus, Optische Aktivität, Faraday-Effekt, Induzierte Doppelbrechung, Optischer Modulator Fig. 29 Kap. 7.10, S. 36 SHG Quantenelektronik I – Kap. 6 PNL = 2d ⋅ E 2 6. Nichtlineare Optik • Einführung in die nichtlineare Optik: SHG, THz, OPA, OPO • Phasenanpassung • Phasenanpassung in doppelbrechenden Materialien • Quasi-Phasenanpassung (QPM) • 3. Ordnung nichtlineare Optik: THG, SPM Electron (purple) pushed side-to-side by a sinusoidally oscillating force, i.e. light’s electric field. But because the electron is in an anharmonic potential (black curve), the electron motion is not sinusoidal P = ε 0 χ E + 2dE 2 + 4 χ (3) E 3 + ... ≡ ε 0 χ E + PNL http://en.wikipedia.org/wiki/Second-harmonic_generation 6 OPO und OPA optical fiber Three-wave mixing is known as a parametric interaction process. (Parametrische Erzeugung) OPA: optical parametric amplifier (coherent amplifier for signal at ω 1 ) (parametrische Verstärkung) Was ist der Unterschied zwischen OPA und OPO? OPO: optical parametric oscillator (with proper feedback - resonator) (optisch parametrische Oszillation) OPA OPO Input Output Fig. 21.2-8 Saleh-Teich Who invented light guiding? alby13.blogspot.com Quantenelektronik I – Kap. 7 Colladon, born Dec. 15, 1802 in Geneva “Swiss father of light guiding” Jeff Hecht Optics & Photonics News Oct. 1999, p. 26-30 7. Wellenleiter und Integrierte Optik • Einleitung • Planarer Wellenleiter • Zusammenfassung: Moden von Wellenleitern • Optische Faser 1841 Arc lamp illuminates water flowing from a tank, as seen by Colladon 7 Planarer Spiegelwellenleiter Optische Kopplung zwischen zwei Wellenleitern Fig. 11 ⎛ Δβ ⎞ γ2 =⎜ +ς2 ⎝ 2 ⎟⎠ 2 ς ≡ ς 12ς 21 Fig. 26 P1 ( z ) ∝ a1 ( z ) 2 P2 ( z ) ∝ a2 ( z ) Für identische Wellenleiter: Fig. 27 Man kann jede Feldverteilung, die im Wellenleiter geführt werden kann, nach den Moden entwickeln: M (22) Ex ( y, z ) = ∑ bm um ( y ) exp ( −iβ m z ) m=0 2 n1 = n2 β1 = β 2 L0 = Periode L0 = 2π γ Δβ = 0 π 2ς Die Verluste von einer beliebigen Feldverteilung, können so abgeschätzt werden. Kap. 8.2, S. 9 Optische Koppler Integrierte elektrooptische Modulatoren Fig. 29 Schaltung der optischen Leistung von einem Wellenleiter zu einem andern. Kap. 8.5, S. 24 Fig. 32: Mach-Zehnder Interferometer Strahlteiler (3-dB-Koppler) Für identische Wellenleiter: n1 = n2 β1 = β 2 L0 = Δβ = 0 π 2ς Kap. 8.5, S. 25 Kap. 8.6, S. 26 8