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Experiment zur Spiegelstrukturierung

Dieses experimentelle Projekt befasst sich mit der Entwicklung eines Mikrostrukturierungsaufbaus für hochreflektive Bragg-Spiegel, die in unseren Experimenten zur Photonenkondensation verwendet werden. Der Projektansatz baut auf einer direkten Laserschreibmethode auf, die das Einprägen von Oberflächenprofilen auf dielektrischen Spiegeln ermöglicht. Der Aufbau soll ein Weißlicht-Interferometrie-Experiment beinhalten, um das Höhenprofil der erzeugten Oberflächenstruktur mit hoher Präzision zu messen. In diesem Projekt werden Sie lernen, optische Mikroskopieaufbauten zu planen, zu implementieren und zu justieren. Ein wichtiger Bestandteil wird die Entwicklung einer selbstprogrammierten Experimentsteuerung sein, um iterativ variable Oberflächenstrukturen mit minimalen Abweichungen zu schreiben. Außerdem soll die Effizienz des Strukturierungsprozesses für verschiedene Spiegelproben charakterisiert werden.

Erzeugung variabler Kopplungen für Photonen BECs

Die Kontrolle der optischen Kopplung zwischen zwei materialgefüllten Resonatoren ist ein grundlegender Baustein für die Konstruktion optischer analoger Simulatoren von Spinmodellen aus Photonenkondensaten. Gleichzeitig ist dies ein notwendiger Bestandteil, um optische Kondensate als neue physikalische Rechnerplatform zu etablieren. 

In diesem Projekt werden Sie eine neue experimentelle Apparatur entwickeln, die darauf abzielt, eine variable Kopplung zwischen zwei benachbarten Photonenkondensaten zu erreichen. Normalerweise sind solche Kopplungen entweder phasengleich (0) oder phasenverschoben (π). Das vorliegende Projekt zielt darauf ab, Kopplungen beliebiger Phase zwischen (zunächst) zwei Moden zu realisieren und deren Machbarkeit mit faser- und kavitätsbasierten Ansätzen zu untersuchen. In Kombination mit den nicht-hermiteschen Eigenschaften des Systems (Treiben, Verluste) soll die Methode den Zugang zu neuen Klassen von Rechengeräten ermöglichen, z. B. zu optischen Hardware-Zufallszahlengeneratoren.

Numerische Simulation von Photonengasen

Ziel dieses Projekts ist es, einen numerischen Solver zu entwickeln und zu testen, der die Modellierung von Photonengasen in variablen Potentialen ermöglicht. Insbesondere ist es von Interesse, Effekte der Offenheit, z.B. räumlich aufgelöstes Pumpen und Verluste, sowie Absorption und Emission von Farbstoffmolekülen in das Modell einzubeziehen. Der Ansatz für dieses numerische Projekt basiert auf einer stochastischen nichtlinearen Gross-Pitaevskii-Gleichung, mit der sowohl der stationäre Zustand als auch die Dynamik eines Quantengases aus Licht simuliert werden soll. Mit dem entwickelten Code soll zum einen die entstehende Phasenordnung in Netzwerken von Photonenkondensaten mit variablen Kopplungen näher untersucht werden. Zum anderen soll untersucht werden, ob es möglich ist, superfluide Signaturen in einem Quantengas zu beobachten, die durch die Kopplung mit der Umgebung entstehen. Die Rechnungen werden als direkte Vorlage für experimentelle Arbeiten dienen.

Messung von Photonen-Photonen-Korrelationen

Dieses experimentelle Projekt konzentriert sich auf die Realisierung eines homogenen Photonengases in einem Kastenpotential. Sie werden sich in dieser Arbeit insbesondere auf die räumlichen Dichte-Dichte-Korrelationen in einem solchen Gas mit gleichmäßiger Dichte konzentrieren und untersuchen, wie sich die Korrelationslänge im System in der Nähe des Phasenübergangs zu einem Photonen-BEC verhält, der in früheren Arbeiten experimentell beobachtet wurde. Die wichtigste Beobachtungsgröße zur Quantifizierung der Korrelationen in dieser Arbeit wird die Kohärenzfunktion zweiter Ordnung sein, bekannt als g(2)(x), die die Wahrscheinlichkeit charakterisiert, zwei Photonen an den Punkten (x1,y1) und (x2,y2) zu finden, die sich im Abstand r befinden. Die Kohärenzfunktion zweiter Ordnung ist beispielsweise ein Instrument zur Beobachtung von Photon-Bunching. Ein zentrales Ziel des Projekts ist es, das Verhalten der Korrelationslänge am kritischen Punkt zu untersuchen, wo eine Divergenz zu erwarten ist.

Nichtlineare Photonenflüssigkeiten

Wechselwirkungen zwischen Teilchen sind ein grundlegender Mechanismus, der in der Physik zur Entstehung von Vielteilchenzuständen führt. Im Allgemeinen sind die Wechselwirkungen zwischen Photonen extrem schwach, was die Beobachtung von Vielteilchenzuständen von Photonen erschwert. Dieses Projekt zielt darauf ab, nichtlineare Effekte in Photonengasen durch die Entwicklung einer neuartigen Resonatorplattform mit nichtlinearen Materialien zu realisieren. Verschiedene Ansätze, die auf der Kopplung von Licht an nichtlineare Materialien basieren, z.B. Kerr-Medien, atomare Gase oder bestimmte Festkörpermaterialien, werden zunächst numerisch untersucht. Auf der Grundlage der Ergebnisse ist es Ihre Aufgabe, einen entsprechenden experimenteller Ansatz zu entwickeln, zu implementieren und zu erforschen. Eine wichtige Beobachtung in diesem Projekt wird der Effekt der optischen Bistabilität in einem nichtlinearen optischen Resonator sein, mit Hilfe dessen die Nichtlinearität nachgewiesen werden kann.