Bibliographic Metadata
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- TitleQuantum sensing with integrated waveguides for ultra-fast spectroscopy in the mid infra-red / vorgelegt von Franz Hartmut Roeder ; Erstgutachter: Prof. Dr. Christine Silberhorn, Zweitgutachter: Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Vertreter des Mittelbaus: Dr. Frederik Thiele, Vorsitzender der Prüfungskommission: Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt
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- Degree supervisor
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- Description1 Online-Ressource (xiii, 145 Seiten) Diagramme
- Institutional NoteUniversität Paderborn, Dissertation, 2025
- AnnotationTag der Verteidigung: 11.04.2025
- Defended on2025-04-11
- LanguageGerman
- Document TypesDissertation (PhD)
- Keywords (GND)
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Zusammenfassung
Die Entwicklung praktischer Quanten-Sensoren für Anwendungen auf dem Gebiet der ultra-schnellen Spektroskopie bedingt deren Integration. In dieser Dissertation nutzen wir integrierte Wellenleiter als Photonenpaar-Quellen basierend auf parametrischer Fluoreszenz (PF) für ultra-schnelle Quanten-Spektroskopie in nichtlinearen Interferometern. Dazu müssen diese Quellen zugleich spektral breitbandige und weit separierte Photonen erzeugen. Integrierte Quellen sind jedoch oft aufgrund ihrer langen Interaktionslänge in der Bandbreite beschränkt. Zuerst überwinden wir daher diese Beschränkung durch Dispersions-Anpassung und stellen zwei Realisierungen periodisch gepolter, Titan-ein-diffundierter Lithium-Niobat-Wellenleiter vor, welche breitbandige PF mit ungleichen Wellenlängen im nahen und mittleren Infrarot erzeugen. Danach verwenden wir unsere erste Quelle in einem nichtlinearen Interferometer. Basierend auf der theoretischen Beschreibung des Systems, messen wir direkt die Korrelationszeit des Photonenpaares, ein wichtiges Maß für deren Gleichzeitigkeit und die zeitliche Auflösung in Experimenten. Im Folgenden untersuchen wir zwei gebräuchliche Realisierungen nichtlinearer Interferometer auf deren Eignung für quanten-optische Kohärenztomographie mit integrierten Quellen. Schließlich nutzen wir die zweite Quelle für Absorptionsmessungen im mittleren Infrarot, bei denen lediglich Photonen im nahen Infrarot detektiert werden.
Abstract
The development of practical quantum sensors for applications in ultra-fast spectroscopy necessitates their integration. In this thesis, we use integrated waveguides as photon pair sources based on parametric down-conversion (PDC) to perform quantum spectroscopy with nonlinear interferometers. This requires the PDC sources to be broadband and highly non-degenerate. However, non-degenerate integrated sources are typically limited in bandwidth due to their long interaction length. First, we overcome this limitation by dispersion-engineering and present two realisations of periodically poled, titanium in-diffused lithium niobate waveguides that generate spectrally broadband photon pairs at non-degenerate wavelengths in the near and mid infra-red. Next, we employ the first PDC source as building block of a nonlinear interferometer. Based on our theoretical description of the system, we perform direct measurements of the bi-photon correlation time, an important metric that defines their simultaneity and the temporal resolution in a measurement. In the following, we investigate the properties of two common geometries for nonlinear interferometers regarding their benefits, disadvantages, and optimal operation mode for quantum optical coherence tomography when working with integrated waveguide PDC sources. Finally, we use the second PDC source in a nonlinear interferometer to perform absorption spectroscopy in the mid infra-red, while only detecting in the near infra-red.
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