German Title: Quantenoptik mit Flüstergallerieresonatoren gekoppelt an Atome und Fasern

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Abstract

In this thesis, coupled systems of whispering gallery resonators, atoms and fibers are investigated. A setup for a controllable photon turnstile consisting of a multilevel atom and a cavity by exploiting the properties of the photon statistics is suggested. Furthermore, a chain of atom-cavity systems connected via a fiber is considered. Due to the energy flux between the subsystems in both directions so-called supermodes with vastly enhanced transmission compared to a chain of independent subsystems develop. Interference effects between pathways on which light can propagate through the system cause these special modes. Moreover, pathway interference effects in an array of microcavities are studied. It is observed that the phase angles of the complex coupling constants describing the interaction of neighboring cavities influence crucially the transmission and reflection behavior of the array. We show that this can be exploited for precision measurements of the refractive index of a thin slab or determining the position of a nearby particle on a sub-wavelength scale. A quantitative analysis of the sensitivity of the setup is performed via FDTD simulations. Light propagation through a disk resonator with a hole as light scatterer in the terahertz regime is studied. The results are compared to experimental data and a very good agreement is observed.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit werden gekoppelte Systeme aus Flüstergallerieresonatoren, Atomen und Fasern untersucht. Es wird gezeigt, wie aus einer solchen Kavität und einem Mehrniveauatom ein kontrollierbares Photonendrehkreuz hergestellt werden kann, indem die Eigenschaften der Photonenstatistik ausgenutzt werden. Des weiteren wird eine Kette von gekoppelten Atom-Resonator-Systemen betrachtet, die über eine Faser miteinander verbunden sind. Durch den Energiefluss zwischen benachbarten Untersystemen in beide Richtungen bilden sich sogenannte Supermoden mit stark erhöhter Transmission verglichen mit einer Kette unabhängiger Systeme aus. Interferenzeffekte zwischen verschiedenen Wegen, die Licht durch ein solches System nehmen kann, bringen diese speziellen Moden hervor. Darüber hinaus werden in einer Anordnung von Mikroresonatoren solche Interferenzerscheinungen verschiedener Lichtwege untersucht. Es wird beobachtet, dass die Phasen der komplexen Kopplungskonstanten, mittels derer die Wechselwirkung zwischen benachbarten Resonatoren beschrieben wird, enormen Einfluss auf das Transmissions- und Reflexionsverhalten der Resonatoranordnung haben. Es wird gezeigt, dass dies zur Präzisionsmessung des Brechungsindexes einer dünnen Scheibe oder der Positions eines Teilchens ausgenutzt werden kann. Eine quantitative Analyse mittels FDTD Simulationen zur Sensitivität des Aufbaus wird durchgeführt. Die Lichtpropagation durch Scheibenresonatoren mit einem Loch als Lichtstreuer im Terahertz Regime wird studiert. Die Ergebnisse werden mit experimentellen Daten verglichen und stimmen mit diesen sehr gut überein.