Topologische optische Systeme ziehen als Gegenstand aktueller Forschung große Aufmerksamkeit auf sich. Bemerkenswert sind dabei Phänomene wie die streu- und verlustfreie Lichtausbreitung mit Unempfindlichkeit gegenüber Defekten oder die einseitig gerichtete Lichtausbreitung. Das wissenschaftliche Verständnis topologischer Systeme ist jedoch noch nicht vollständig. Ziel dieser Doktorarbeit ist es, topologische Systeme in einer Dimension sowohl aus experimenteller wie auch aus theoretischer Sicht besser zu verstehen.
Grundlage für alle Untersuchungen sind Mikrokavitäten mit einer optischen Dicke von der Hälfte der Designwellenlänge 1/2·λ_D = 1/2·620 nm. Diese werden umschlossen von Braggreflektoren und erreichen Qualitätsfaktoren in der Größenordnung von 10^3. Aufgrund der starken Lokalisierung des elektrischen Feldes in Kombination mit zahlreichen Möglichkeiten zur Durchführung optischer Messungen bieten Mikrokavitäten sowohl ein System zur Realisierung topologischer Zustände als auch Nachweismethoden für diese Zustände. Die Kavitäten sind mit der organischen Matrix tris-(8-hydroxy quinoline) aluminum (Alq_3) und darin eingebetteten kleinen organischen Farbstoffmolekülen gefüllt. In einem ansonsten symmetrischen Probenaufbau wechseln sich Kavitäten mit 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethylaminostyryl)-4H-pyran (DCM) als optisch aktivem Medium (Gewinn) und zinc phthalocyanine (ZnPc) als Absorber (Verlust) ab. Bei sorgfältig austariertem Gewinn und Verlust ermöglicht eine Kombination aus Raumspiegelungs- und Zeitumkehrsymmetrie (PT-Symmetrie) eine spontane Symmetriebrechung, die für das Auftreten nicht-trivialer topologischer Eigenschaften erforderlich ist.
Auf theoretischer Seite wird ein Tight-Binding-Modell für optische Mikrokavitäten hergeleitet. Das elektrische Feld ist stark in den Kavitäten lokalisiert und gebunden; die Transmission durch die Spiegel, welche die Kavitäten trennen, wird mittels eines Hüpfterms im Hamiltonoperator beschrieben. Mit dem entwickelten Modell wird ein Probenaufbau mit gekoppelten Kavitäten, die in einer PT -symmetrischen Su-Schrieffer-Heeger-Kette (SSH-Kette) angeordnet sind, betrachtet. Die Auswertung des Hamiltonoperators sagt die Ausbildung topologisch nicht-trivialer Randzustände ab sechs gekoppelten Kavitäten voraus. Die Analyse einer nicht-trivialen topologischen Kette mit zehn gekoppelten Kavitäten zeigt das Auftreten von Randzuständen und simuliert die daraus resultierenden Eigenschaften der Reflexionsmessungen.
Im Experiment werden Proben mit zwei gekoppelten Kavitäten (eine Einheitszelle der SSH-Kette) hergestellt und das Transmissions- und Laserverhalten analysiert. Sowohl die symmetrischen als auch die antisymmetrischen Moden des gekoppelten Systems zeigen Lasing. Oberhalb der Laserschwelle zeigt das gekoppelte System mit austariertem Gewinn und Verlust nicht-reziprokes Verhalten. Die Messungen unterscheiden sich in Abhängigkeit von der Pump- und Detektionsrichtung in der Intensität, was auf eine gebrochene PT -Symmetrie hinweist.:1 Introduction
2 Principles of microcavity lasers
3 Physical models of light as particle and wave
4 Sample preparation and measurement setups
5 Theoretical modeling with the tight-binding approximation
6 Experimental results
7 Summary and Outlook
Bibliography / Topological photonics has attracted tremendous research interest in recent years due to remarkable phenomena, like scatter-free and lossless light propagation with immunity to defects or directional light propagation. However, many questions regarding non-trivial topological systems are still open. This thesis aims to deepen the understanding of non-trivial topological systems in one dimension from both the experimental and theoretical points of view.
The basis for all investigations are microcavities with an optical thickness of half of the design wavelength 1/2·λ_D = 1/2·620 nm. These are enclosed by Bragg reflectors and achieve quality factors in the order of 10^3. Due to the strong confinement of the electric field in combination with numerous possibilities to conduct optical measurements, microcavities offer a system for both realizing topological states as well as detection methods for these states. The cavities are filled with the organic matrix tris-(8-hydroxy quinoline) aluminum (Alq_3) and therein embedded small organic dye molecules. In an otherwise symmetric sample design, coupled cavities are doped alternating with 4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(p-dimethyl\-amino\-styryl)-4H-pyran (DCM) as optically active medium (gain) and zinc phthalocyanine (ZnPc) as absorber (loss). With balanced gain and loss, parity-time (PT) symmetry provides the spontaneous breaking of symmetry necessary for the emergence of non-trivial topological signatures.
From the theoretical side, a tight-binding model for optical microcavities is developed. The electric field is strongly confined in the cavities; transmission of the electric field through the mirrors separating the cavities is explained with the help of a hopping mechanism. This model is then applied to a sample design with coupled cavities arranged in a PT-symmetric Su-Schrieffer-Heeger (SSH) chain. The evaluation of the Hamiltonian predicts topological non-trivial edge states starting from a minimum of six coupled cavities. The analysis of a non-trivial topological chain with ten coupled cavities shows the emergence of edge states and predicts the implications on reflection measurements.
In the experiment, samples with two coupled cavities (one unit cell in the SSH chain) are fabricated, and transmission and lasing behavior are analyzed. Both the symmetric and antisymmetric modes of the coupled system show lasing. Above the lasing threshold, the coupled system with balanced gain and loss shows non-reciprocal behavior. The measurements differ in intensity as a function of the pump and detection directions, pointing to the achieved broken PT-symmetric phase.:1 Introduction
2 Principles of microcavity lasers
3 Physical models of light as particle and wave
4 Sample preparation and measurement setups
5 Theoretical modeling with the tight-binding approximation
6 Experimental results
7 Summary and Outlook
Bibliography
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:82566 |
| Date | 06 December 2022 |
| Creators | Roszeitis, Karla |
| Contributors | Leo, Karl, Budich, Jan Carl, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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