Resonant optical processes in solids  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
83390
Type K
Principal investigator Kovács, László
Title in Hungarian Rezonáns optikai folyamatok szilárdtestekben
Title in English Resonant optical processes in solids
Keywords in Hungarian koherens jelenségek, nemlineáris optika, spektroszkópia, kristálynövesztés
Keywords in English coherent phenomena, nonlinear optics, spectroscopy, crystal growth
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics
Department or equivalent Applied and Nonlinear Optics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants Corradi, Gábor
Hajdara, Ivett
Kis, Zsolt
Lassányi, Péterné
Lengyel, Krisztián
Mandula, Gábor
Szaller, Zsuzsanna
Tichy-Rács, Éva
Starting date 2011-02-01
Closing date 2015-12-31
Funding (in million HUF) 17.519
FTE (full time equivalent) 21.54
state closed project
Summary in Hungarian
A koherens optikai kontroll folyamatok a kvantumkommunikáció, kvantumkriptográfia, és kvantumszámítógép alapjául szolgálnak. A projekt keretében ilyen folyamatokat valósítunk meg ritkaföldfémekkel adalékolt egykristályokban. Ezekben a folyamatokban a megvilágító fény az adalékionok kvantumállapotát kontrollálja. Ennek következtében a minta szuszceptibilitása jelentősen megváltozik, mely a klasszikus optikában ismeretlen jelenségekre vezet. A projekt sikeres végrehajtása kvantumos szinten működő és kvantumkoherenciát kihasználó eszközök gyakorlati megvalósításához járul hozzá: fotonok nagy sávszélességű kvantumos tárolása; kvantumkapuk fotonok számára; kvantuminformáció továbbítása nagy távolságra.
Projektünk számos egymásra épülő lépésből áll: A ritkaföldfémekkel adalékolt egykristályokat a kristálynövesztő laboratórium készíti el. A kristályok lényeges tulajdonságait abszorpciós és emissziós, Raman, EPR, foton visszhang és szaturációs spektroszkópiával határozzuk meg. A mérésekből megkapjuk az adalékionok term-struktúráit, az atomi átmenetek homogén és inhomogén vonalszélességét, oszcillátorerősségét és kiválasztási szabályait. Ezen adatok ismeretében meglévő koherens optikai folyamatokat fogunk adaptálni és kísérletileg megvalósítani az optikai laborban, valamint újakat dolgozunk ki. A kísérleti és elméleti munkákba a senior kutatók mellett PhD és egyetemi hallgatók bevonását tervezzük.
Summary
Coherent optical control processes provide the basis for quantum communication, quantum cryptography, and quantum computers. In our project such processes will be realized in single crystals doped with rare-earth elements. In the course of the processes the irradiating light field controls the quantum state of the dopant ions. As a result, the susceptibility of the sample is substantially altered, which leads to phenomena that are unconceivable in classical optics. The successful implementation of the project will contribute to the practical realization of photonic devices which operate at the single quantum level and exploit the quantum coherence: large bandwidth quantum storage of photons; photonic quantum gates; quantum information transfer between distant sites.
Our project consists of several subsequent steps: The rare-earth doped single crystals will be prepared in the crystal growth laboratory. The relevant properties of the crystals will be determined via optical absorption and emission, Raman, EPR, photon echo and saturation spectroscopies. These measurements yield the term structure of the dopant ions, homogeneous and inhomogeneous linewidths, oscillator strengths, and selection rules of the relevant atomic transitions. Using these data we will implement and demonstrate existing coherent optical control schemes in the optical lab and design new ones. Beside qualified senior researchers, PhD and graduate students will be involved in the work.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Ritkaföldfémekkel adalékolt kongruens és sztöchiometrikus lítium-niobát (cLN, sLN), valamint lítium-ittrium-ortoborát (LYB) és gadolínim-alumínium-borát (GAB) kristályokat állítottunk elő szaturációs spektroszkópiai mérések céljára. A különböző adalékok beépülésére optikai abszorpciós és lumineszcencia spektrumok, valamint elektronspin rezonancia eredmények alapján hibamodelleket készítettünk és számítógépes szimulációval igazoltuk azokat. Szaturációs spektroszkópiai méréssorozatokat végeztünk Yb3+ és Er3+ ritkaföldfémionokkal adalékolt cLN, sLN, valamint LYB egykristályokon. A megvilágító lézerfény ~980nm körüli hullámhossza rezonáns volt az Yb3+ ionok 2F7/2 ⟶ 2F5/2 , valamint az Er3+ ionok 4I15/2 ⟶ 4I11/2 átmenetével. A pumpa-próba típusú mérésekből meghatároztuk a vizsgált atomi átmenetek homogén vonalszélességét 9 K hőmérsékleten, a vonalszélességek hőmérsékletfüggését a 9 K – 20 K tartományban, valamint a gerjesztett energianívók élettartamát. Az Yb3+ ionok esetében kettős spektrális lyukszerkezetet találtunk. Megfigyeltük a spektrális lyukak felhasadását néhány millitesla erősségű mágneses térben. Kidolgoztuk egy olyan rezonáns nemlineáris optikai folyamat elméletét, mely során a besugárzó, bikromatikus tér módusai az adalékionok lokális rezgési energianívóin keresztül csatolódnak. Ennek eredményeképpen új felharmonikusok keletkeznek.
Results in English
Rare earth doped congruent and stoichiometric lithium niobate (cLN, sLN), lithium yttrium borate (LYB) and gadolinium aluminum borate (GAB) crystals have been grown for saturation spectroscopic measurements. Defect models have been worked out on the basis of optical absorption, luminescence and electron paramagnetic resonance measurements and have been verified by computer simulations. A series of saturation spectroscopic measurements on Yb3+ and Er3+ rare earth ion doped sLN, cLN and LYB single crystals has been performed. The ~980 nm wavelength of the irradiating laser field was resonant with the 2F7/2 ⟶ 2F5/2 transition of the Yb3+ ions and with the 4I15/2 ⟶ 4I11/2 transition of the Er3+ ions. By means of pump-probe type measurements we have determined the homogeneous linewidth of the atomic transitions at 9 K temperature, the temperature dependence of the linewidths in the range 9 K – 20 K, and the lifetime of the excited states. In the case of Yb3+ ions a double spectral hole structure was found. The splitting of the spectral holes in magnetic fields of a few mT has been observed. The theory of a resonant non-linear optical process has also been worked out where the modes of the irradiating bichromatic field are coupled by the local vibrational states of the dopant ion. As a result, new optical field harmonics are generated.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=83390
Decision
Yes





 

List of publications

  
M. Unferdorben, Zs. Szaller, I. Hajdara, J. Hebling, L. Pálfalvi: Measurement of refractive index and absorption coefficient of congruent and stoichiometric lithium niobate in the terahertz range, In: Ádám P , Almási G (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. P19, 2014
Mandula G , Kis Zs , Lengyel K: Változtatható hullámhosszú diódalézer valós idejű kalibrációja Fabry-Perot interferométerrel, In: Ádám P , Almási G (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. P71, 2014
Lengyel K: Kristályok és lézerek, In: Borossáné Tóth S, Himics L, Nagyné Szokol Á, Veres M (szerk) Az ELI-ALPS és a jövő természettudományi kutatásai, Kecskeméti Főiskola, pp 68-77, 2014
Szaller Zs, Péter Á, Polgár K, Szabó Gy: High temperature top seeded solution growth of stoichiometric lithium niobate LiNbO3 (sLN) with planar interface, Journal of Crystal Growth 360: 181-184, 2012
Péter Á, Polgár K, Tóth M: Synthesis and crystallization of lithium-yttrium orthoborate Li6Y(BO3)3 phase, Journal of Crystal Growth 346: 69-74, 2012
Beregi E, Sajó I, Lengyel K, Bombocz P, Czugler M, Földvári I: Polytypic modifications in heavily Tb and Eu doped gadolinium aluminum borate crystals, Journal of Crystal Growth 351: 72-76, 2012
Demeter G, Kis Zs, Hohenester U: Nonlinear pulse propagation in ion-doped dielectric crystals, Physical Review A 85: 033819-1-8, 2012
Tichy-Rács É, Péter Á, Horváth V, Polgár K, Lengyel K, Kovács L: Preparation and study of Li6Y(BO3)3 and Li6Gd(BO3)3 double borates, Materials Science Forum 729: 493-496, 2013
Skvortsov AP, Poletaev NK, Polgár K, Péter Á: Absorption spectra of Er3+ doped Li6Y(BO3)3 crystals, Technical Physics Letters 39: 424-426, 2013
Lengyel K, Szalay V, Kovács L: Energy calculations for OH defects in LiNbO3 crystals, pp. 17-19 in Extended Summaries of International Workshop on Stoichiometric Lithium Niobate, Goslar, Germany, Sept 18-20., 2013
Corradi G: Comments on defect centres in lithium niobate, pp. 29-31 in Extended Summaries of International Workshop on Stoichiometric Lithium Niobate, Goslar, Germany, Sept 18-20., 2013
Lengyel K, Kiss I, Kovács L, Szalay V, Corradi G: Anomalous temperature dependence of the OH− absorption band in stoichiometric LiNbO3 crystals, Vibrational Spectroscopy 71: 37-40, 2014
Lengyel K, Péter Á, Kovács L, Corradi G, Pálfalvi L, Hebling J, Unferdorben M, Dravecz G, Hajdara I, Szaller Z, Polgár K: Growth, defect structure and THz application of stoichiometric lithium niobate, Applied Physics Reviews 2: 040601-1-28, 2015
Unferdorben M, Szaller Zs, Hajdara I, Hebling J, Pálfalvi L: Measurement of refractive index and absorption coefficient of congruent and stoichiometric lithium niobate in the terahertz range, Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves 36:1203-1209, 2015
Mandula G, Kis Zs, Lengyel K: Real-time dynamic calibration of a tunable frequency laser source using a Fabry-Pérot interferometer, Review of Scientific Instruments 86: 123104-1-5, 2015
Tichy-Rács É, Romet I, Kovács L, Lengyel K, Corradi G, Nagirnyi V, Hajdara I: Optical spectroscopy of Li6Y(BO3)3 single crystals doped with dysprosium, Tu-P-49 in Book of Abstracts, 9th International Conference on Luminescent Detectors and Transformers of Ionizing Radiation LUMDETR 2015, Tartu, Estonia, Sept 20-25., 2015
Kovács L, Szaller Zs, Oláh L, Lengyel K, Dravecz G, Corradi G: Rare earth ions in stoichiometric LiNbO3, pp. 2-3 in Extended Summaries of International Workshop on Lithium Niobate, Tianjin, China, Nov 3-5, 2015
Lengyel K, Kovács L, Szalay V: Defect Structures of ODR dopants in LiNbO3 crystals, pp. 9-10 in Extended Summeries of International Workshop on Lithium Niobate, Tianjin, China, Nov 3-5, 2015
Lengyel K, Beregi E, Földvári I, Corradi G, Kovács L, Solarz P, Ryba-Romanowski W: Effect of symmetry on the electronic transition in polytypic GdAl3(BO3)4:Eu:Tb crystals, Optical Materials 53: 30-33, 2016
Lengyel K, Kiss I, Kovács L, Szalay V, Corradi G: 1. Anomalous temperature dependence of the OH− absorption band in stoichiometric LiNbO3 crystals, Vibrational Spectroscopy 71, 37-40, 2014
Szaller Zs, Péter Á, Polgár K, Tichy-Rács É: Study of flow pattern by the measurement of temperature fluctuations in the solution during the growth of stoichiometric lithium niobate single crystals, 17th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy, Warsaw, 11th – 16th August, 2013 Scientific Program and Book of Abstracts, p.111, 2013
Lengyel K, Szalay V, Kovács L: Energy calculations for OH defects in LiNbO3 crystals, International Workshop on Stoichiometric Lithium Niobate, September 18 – 20, 2013 Goslar, Germany, Extended Summaries, pp17-19, 2013
Corradi G: Comments on defect centres in lithium niobate, International Workshop on Stoichiometric Lithium Niobate, September 18 – 20, 2013 Goslar, Germany, Extended Summaries, pp29-31, 2013
Kovács L, Szaller Z, Lengyel K: Hydroxyl ion vibration in photorefractive damage resistant stoichiometric LiNbO3, International Workshop on Stoichiometric Lithium Niobate, September 18 – 20, 2013 Goslar, Germany, Extended Summaries, pp57-59, 2013
Kis Z, Mandula G, Lengyel K, Hajdara I, Kovács L: High resolution laser spectroscopy in rare earth ion doped single crystals, International Workshop on Stoichiometric Lithium Niobate, September 18 – 20, 2013 Goslar, Germany, Extended Summaries, pp61-62, 2013
Lengyel K, Kiss I, Kovács L, Szalay V, Corradi G: Anomalous temperature dependence of the OH− absorption band in stoichiometric LiNbO3 crystals, Vibrational Spectroscopy 71, 37-40, 2014
Kis Zs, Mandula G, Lengyel K, Hajdara I, Kovacs L, Imlau M: Homogeneous linewidth measurements of Yb3+ ions in congruent and stoichiometric lithium niobate crystals, OPT MATER 37: 845-853, 2014
Kovacs L, Szaller Z, Lengyel K, Corradi G: Hydroxyl ions in stoichiometric LiNbO3 crystals doped with optical damage resistant ions, OPT MATER 37: 55-58, 2014
Kis Zs, Mandula G, Lengyel K, Hajdara I, Kovács L, Imlau M: Itterbium és erbium ionok homogén vonalszélességének mérése stöichiometrikus és kongruens LiNbO3 egykristályokban, In: Ádám P, Almási G (szerk.) (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. Pécs: Pécsi Tudományegyetem, TTK Fizikai Intézet, 2014. pp. ., 2014
Kovács László: Miért jó a kristály, ha hibás?, FIZIKAI SZEMLE 64: (10) 351-354, 2014
Tichy-Rács É, Hajdara I, Komlai K, Szaller Zs, Lengyel K, Kovács L, Mandula G: Lítium-ittrium-ortoborát kristályok IR és UV abszorpciós spektroszkópiája, In: Ádám P, Almási G (szerk.) (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. Pécs: Pécsi Tudományegyetem, TTK Fizikai Intézet, 2014. pp. ., 2014
Tichy-Rács É, Komlai K, Mandula G, Lengyel K, Kis Zs, Kovács L, Corradi G: Ritkaföldfém ionok spektroszkópiai tulajdonságai lítium-ittrium-ortoborát egykristályokban, In: Ádám P, Almási G (szerk.) (szerk.) Kvantumelektronika 2014: VII. Szimpózium a hazai kvantumelektronikai kutatások eredményeiről. Pécs: Pécsi Tudományegyetem, TTK Fizikai Intézet, 2014. pp. ., 2014
Szaller Zs, Péter Á, Polgár K, Szabó Gy: High temperature top seeded solution growth of stoichiometric lithium niobate LiNbO3 (sLN) with planar interface, Journal of Crystal Growth, 2012
Tichy-Rács É, Péter Á, Horváth V, Polgár K, Lengyel K, Kovács L: Preparation and study of Li6Y(BO3)3 and Li6Gd(BO3)3 double borates, Materials Science Forum, 2012
Péter Á, Polgár K, Tóth M: Synthesis and crystallization of lithium-yttrium orthoborate Li6Y(BO3)3 phase, Journal of Crystal Growth, 2012
Beregi E, Sajó I, Lengyel K, Bombocz P, Czugler M, Földvári I: Polytypic modifications in heavily Tb and Eu doped gadolinium aluminum borate crystals, Journal of Crystal Growth, 2012
Demeter G, Kis Zs, Hohenester U: Nonlinear pulse propagation in ion-doped dielectric crystals, Physical Review A, 2012
Brüning H, Dieckmann V, Schoke B, Voit K M, Imlau M, Corradi G, Merschjann C: Small-polaron based holograms in LiNbO3 in the visible spectrum, Optics Express, 2012
Skvortsov AP, Poletaev NK, Polgár K, Péter Á: Absorption spectra of Li6Y(BO3)3 doped with Er3+, PISMA ZH TEKH FIZ, 2013
Hajdara I, Lengyel K, Kovács L, Péter Á, Szaller Zs: Effect of Alkali Doping on the Raman Spectra of Potassium Lithium Niobate Crystals, Ferroelectrics, 2012
Péter Á, Hajdara I, Szaller Zs, Lengyel K, Kovács L: The role of alkali additives in the crystallization of ferroelectric potassium lithium niobate crystals, Journal of Crystal Growth, 2013
Szaller Zs, Mandula G, Lengyel K, Péter Á, Hajdara I, Pálfalvi L, Kovács L: Photorefractive damage resistance in stoichiometric LiNbO3:Zr, ICDIM 2012 Program Book, Santa Fe, NM, USA, p.127, 2012
Kovács L, Corradi G, Tichy-Rács É, Kis Zs, Ryba-Romanowski W, Strzep A, Scholle A, Greulich-Weber S: Incorporation and energy levels of Er3+ in lithium yttrium borate (LYB) single crystals, ICDIM 2012 Program Book, Santa Fe, NM, USA, p.108, 2012
Mandula G, Lengyel K, Kis Z, Szaller Z, Kovács L: Measuring optical transition relaxation rates in doped inorganic crystals, ICDIM 2012 Program Book, Santa Fe, NM, USA, p.128, 2012
Szaller Zs, Péter Á, Polgár K, Szabó Gy: High temperature top seeded solution growth of stoichiometric lithium niobate LiNbO3 (sLN) with planar interface, Journal of Crystal Growth, 2012
Tichy-Rács É, Péter Á, Horváth V, Polgár K, Lengyel K, Kovács L: Preparation and study of Li6Y(BO3)3 and Li6Gd(BO3)3 double borates, Materials Science Forum, 2013
Péter Á, Polgár K, Tóth M: Synthesis and crystallization of lithium-yttrium orthoborate Li6Y(BO3)3 phase, Journal of Crystal Growth, 2012
Beregi E, Sajó I, Lengyel K, Bombocz P, Czugler M, Földvári I: Polytypic modifications in heavily Tb and Eu doped gadolinium aluminum borate crystals, Journal of Crystal Growth, 2012
Demeter G, Kis Zs, Hohenester U: Nonlinear pulse propagation in ion-doped dielectric crystals, Physical Review A, 2012
Brüning H, Dieckmann V, Schoke B, Voit K M, Imlau M, Corradi G, Merschjann C: Small-polaron based holograms in LiNbO3 in the visible spectrum, Optics Express, 2012
Skvortsov AP, Poletaev NK, Polgár K, Péter Á: Absorption spectra of Er3+ doped Li6Y(BO3)3 crystals, Technical Physics letters, Vol.39. pp.424-426, 2013
Hajdara I, Lengyel K, Kovács L, Péter Á, Szaller Zs: Effect of Alkali Doping on the Raman Spectra of Potassium Lithium Niobate Crystals, Ferroelectrics, 2012
Péter Á, Hajdara I, Szaller Zs, Lengyel K, Kovács L: The role of alkali additives in the crystallization of ferroelectric potassium lithium niobate crystals, Journal of Crystal Growth, 2013
Kovács L, Corradi G, Tichy-Rács É, Kis Zs, Ryba-Romanowski W, Strzep A, Scholle A, Greulich-Weber S: Incorporation and energy levels of Er3+ in lithium yttrium borate (LYB) single crystals, ICDIM 2012 Program Book, Santa Fe, NM, USA, p.108, 2012
Mandula G, Lengyel K, Kis Z, Szaller Z, Kovács L: Measuring optical transition relaxation rates in doped inorganic crystals, ICDIM 2012 Program Book, Santa Fe, NM, USA, p.128, 2012
Kovacs L, Szaller Z, Lengyel K, Peter A, Hajdara I, Mandula G, Palfalvi L, Hebling J: Photorefractive damage resistance threshold in stoichiometric LiNbO3:Zr crystals, OPT LETT 38: (15) 2861-2864, 2013
Mandula G, Kis Zs, Kovács L, Szaller Zs, Krampf A: Site selective measurement of relaxation properties at 980 nm in Er3+ doped congruent and stoichiometric lithium niobate crystals, Applied Physics B (elfogadva), 2016
Mandula G, Kis Zs, Lengyel K, Tichy-Rács É, Kovács L: Saturation spectroscopic studies on Yb3+ and Er3+ ions in Li6Y(BO3)3 single crystals, Optical Materials (beküldés alatt), 2016




 

Events of the project

  
2013-10-28 13:26:07
Résztvevők változása
2013-01-24 09:31:40
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Kristályfizikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Alkalmazott és Nemlineáris Optikai Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).



Back »