Chip-scale atomic diffractive optical elements

Abstract

The efficient light–matter interaction and discrete level structure of atomic vapors made possible numerous seminal scientific achievements including time-keeping, extreme non-linear interactions, and strong coupling to electric and magnetic fields in quantum sensors. As such, atomic systems can be regarded as a highly resourceful quantum material platform. Recently, the field of thin optical elements with miniscule features has been extensively studied demonstrating an unprecedented ability to control photonic degrees of freedom. Hybridization of atoms with such thin optical devices may offer a material system enhancing the functionality of traditional vapor cells. Here, we demonstrate chip-scale, quantum diffractive optical elements which map atomic states to the spatial distribution of diffracted light. Two foundational diffractive elements, lamellar gratings and Fresnel lenses, are hybridized with atomic vapors demonstrating exceptionally strong frequency-dependent, non-linear and magneto-optic behaviors. Providing the design tools for chip-scale atomic diffractive optical elements develops a path for compact thin quantum-optical elements.

Исследование взаимодействия атомов Cs с поверхностью сапфира с использованием сверхтонкой ячейки и метода вычисления второй производной спектра поглощения паров

“…При L менее 100 nm вследствие vdW взаимодействия происходит сильное уширение атомных переходов и сдвиг их частот в низкочастотную область спектра (красный сдвиг). Вычисление второй производной спектров поглощения паров в наноячейке позволяет спектрально разрешить сверхтонкие компоненты атомных линий вплоть до L ∼ 50 nm и измерить коэффициент vdW взаимодействия C 3 ; для перехода 4 → 5 ′ величина C 3 = (1.8 ± 0.3) kHz • µm 3 . На примере переходов 3 → 2 ′ , 3 ′ , 4 ′ показано, что метод вычисления второй производной спектров поглощения паров в наноячейке (SD-метод) позволяет уточнить результаты, полученные ранее методом селективного отражения от ячеек сантиметровой длины (SR-метод) [12,13].…”

“…Показано, что при L < 100 nm с увеличением плотности атомов в режиме N Cs /k 3 ≫ 1 происходит дополнительный красный частотный сдвиг атомного перехода ν shift (red). В интервале плотностей паров цезия 10 15 −10 16 cm −3 сдвиг зависит от плотности паров N примерно линейно с коэффициентом пропорциональности (3 ± 0.3) • 10 −8 Hz • cm 3 .…”

“…В случае относительно больших расстояний L между атомами и поверхностью ∼ 400 nm с увеличением плотности атомов в режиме N Cs /k 3 ≫ 1 происходит синий сдвиг частоты атомных переходов ν shift (blue). В интервале плотностей атомов цезия 10 15 −5 • 10 15 cm −3 сдвиг примерно линейно зависит от плотности атомов N с коэффициентом пропорциональности (1.3 ± 0.1) • 10 −8 Hz • cm 3 .…”

“…Известно, что в ряде практических применений размеры спектроскопических ячеек, содержащих атомы щелочных металлов, целесообразно уменьшать [1][2][3][4][5][6][7]. В работах [6,7] было продемонстрировано уменьшение нежелательного влияния оптической накачки на четырехволновые параметрические процессы в оптических ячейках микронной и субмикронной толщины.…”

“…Для перехода 4 → 5 ′ имеем C 3 = (1.8 ± 0.3) kHz • µm 3 , для перехода 3 → 4 ′ величина C 3 на 10% меньше. Штриховая линия -1.8 kHz • µm3 . Относительно большая неточность в определении C 3 обусловлена неточностью ±3 nm при определении толщины L. Для переходa 3 → 4 ′ величина C 3 примерно на 10% меньше.…”