Coupling nitrogen-vacancy centers in diamond to fiber-based Fabry-Pérot microcavities

This thesis investigates the coupling of the fluorescence of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond to tunable optical microresonators at ambient conditions, in particular in the regime of Purcell enhancement. We use fiber-based, open-access Fabry-Pérot cavities optimized for high finesse and ultra-small mode volume. Different regimes of cavity enhancement are studied that are complementary to each other: A first experiment relies on a high-finesse cavity with dielectric mirrors. The scaling laws of Purcell enhancement are explicitly demonstrated by a large-range variation of both the cavity mode volume (V = 16 − 600 µm^3 ) and the quality factor (Q = 6 · 10^3 − 2 · 10^6). We detect an enhancement of the emission spectral density by up to a factor of 300. The full potential of this resonator can be exploited with emitters having a linewidth which is narrower than the resonance linewidth of the cavity. This concept holds promise for the implementation of wavelength-tunable, narrow-band single-photon sources as well as the generation of indistinguishable single-photons at ambient conditions. However, for broad-band emitters like the NV center at room temperature, the emission lifetime is not affected noticeably in this configuration. In order to directly observe lifetime changes and Purcell-enhanced single-photon emission, we manufacture fiber-based cavities with silver-coated mirrors having ultra-small mode volumes, as small as V = 1.0 λ^3 = 0.34 µm^3. We demonstrate cavity-enhanced fluorescence imaging, which allows to locate and analyze several single NV centers with one cavity. The Purcell effect is evidenced by an enhanced fluorescence collection of up to 1.6 · 10^6 photons per second from single-NV centers and a tunable variation of the emission lifetime corresponding to an effective Purcell factor of up to 2. We furthermore investigate a benefcial regime of optical confinement where the Fabry-Pérot cavity mode is combined with additional mode confinement by the diamond nanocrystal itself, enabling sub-λ^3 mode volumes. We perform simulations that predict effective Purcell factors of up to 11 for NV centers and of up to 63 for silicon-vacancy centers, revealing a great potential for bright single-photon sources and effcient spin readout at ambient conditions.Diese Arbeit erforscht die Kopplung der Fluoreszenz von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant mit durchstimmbaren optischen Mikroresonatoren bei Umgebungsbedingungen, insbesondere im Regime der Purcell Verstärkung. Hierzu benutzen wir faserbasierte, offen zugängliche Fabry-Pérot Resonatoren, die für hohe Finesse und ultrakleine Modenvolumen optimiert sind. Verschiedene, komplementäre Bereiche der Resonatorverstärkung werden untersucht. Ein erstes Experiment basiert auf einem Resonator mit hoher Finesse und dielektrischen Spiegeln. Das Skalierungsverhalten der Purcell Verstärkung wird ausführlich ausgewertet, indem man sowohl das Modenvolumen des Resonators (V = 16 − 600 µm^3 ) als auch dessen Güte (Q = 6 · 10^3 − 2 · 10^6) über einen weiten Bereich verändert. Die spektrale Leistungsdichte der Emission kann durch den Resonator um einen Faktor von bis zu 300 überhöht werden. Das gesamte Leistugsvermögen dieses Resonators kann mit schmalbandigen Emittern ausgenutzt werden, deren Emissionslinienbreite kleiner als die Linienbreite des Resonators ist. Dies ist ein vielversprechender Ansatz für die Umsetzung von schmalbandigen Einzelphotonenquellen mit durchstimmbarer Wellenlänge und für die Erzeugung ununterscheidbarer Einzelphotonen bei Umgebungsbedingungen. Jedoch bleibt die Lebenszeit der Emission für breitbandige Emitter, wie dem NV-Zentrum bei Raumtemperatur, in dieser Anordnung nahezu unbeeinflusst. Um eine Veränderung der Lebenszeit und durch den Purcell-Effekt verstärkte Einzelphotonenemission direkt zu beobachten, stellen wir Faserresonatoren mit silberbeschichteten Spiegeln und ultrakleinen Modenvolumen, bis hinab zu V = 1.0 λ^3 = 0.34 µm^3, her. Wir demonstrieren resonatorverstärkte Fluoreszenzbildgebung, die das Auffinden und Untersuchen von verschiedenen einzelnen NV-Zentren mit einem Resonator erlaubt. Der Purcell-Effekt wird über eine gesteigerte Aufsammlung der Fluoreszenz nachgewiesen, mit einer Rate von bis zu 1.6 · 10^6 Photonen pro Sekunde von einzelnen NV-Zentren und außerdem durch die abstimmbare Veränderung der Emissionslebenszeit, entsprechend einem effektiven Purcell Faktor von bis zu 2. Des Weiteren untersuchen wir ein vorteilhaftes Regime, in dem der Diamant Nanokristall selbst eine zusätzliche Einschränkung der optischen Mode bewirkt, die sich mit der Mode des Fabry-Pérot Resonators verbindet und Modenvolumen unter 1 λ^3 ermöglicht. Simulationen ergeben effektive Purcell Faktoren von bis zu 11 für NV-Zentren und von bis zu 63 für Silizium-Fehlstellen-Zentren, wodurch das große Potenzial für helle Einzelphotonenquellen und für effzientes Spin-Auslesen bei Umgebungsbedingungen aufgezeigt wird

Photothermal effects in ultra-precisely stabilized tunable microcavities

We study the mechanical stability of a tunable high-finesse microcavity under ambient conditions and investigate light-induced effects that can both suppress and excite mechanical fluctuations. As an enabling step, we demonstrate the ultra-precise electronic stabilization of a microcavity. We then show that photothermal mirror expansion can provide high-bandwidth feedback and improve cavity stability by almost two orders of magnitude. At high intracavity power, we observe self-oscillations of mechanical resonances of the cavity. We explain the observations by a dynamic photothermal instability, leading to parametric driving of mechanical motion. For an optimized combination of electronic and photothermal stabilization, we achieve a feedback bandwidth of $500\,$kHz and a noise level of $1.1 \times 10^{-13}\,$m rms

Coupling nitrogen-vacancy centers in diamond to fiber-based Fabry-Pérot microcavities

This thesis investigates the coupling of the fluorescence of nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond to tunable optical microresonators at ambient conditions, in particular in the regime of Purcell enhancement. We use fiber-based, open-access Fabry-Pérot cavities optimized for high finesse and ultra-small mode volume. Different regimes of cavity enhancement are studied that are complementary to each other: A first experiment relies on a high-finesse cavity with dielectric mirrors. The scaling laws of Purcell enhancement are explicitly demonstrated by a large-range variation of both the cavity mode volume (V = 16 − 600 µm^3 ) and the quality factor (Q = 6 · 10^3 − 2 · 10^6). We detect an enhancement of the emission spectral density by up to a factor of 300. The full potential of this resonator can be exploited with emitters having a linewidth which is narrower than the resonance linewidth of the cavity. This concept holds promise for the implementation of wavelength-tunable, narrow-band single-photon sources as well as the generation of indistinguishable single-photons at ambient conditions. However, for broad-band emitters like the NV center at room temperature, the emission lifetime is not affected noticeably in this configuration. In order to directly observe lifetime changes and Purcell-enhanced single-photon emission, we manufacture fiber-based cavities with silver-coated mirrors having ultra-small mode volumes, as small as V = 1.0 λ^3 = 0.34 µm^3. We demonstrate cavity-enhanced fluorescence imaging, which allows to locate and analyze several single NV centers with one cavity. The Purcell effect is evidenced by an enhanced fluorescence collection of up to 1.6 · 10^6 photons per second from single-NV centers and a tunable variation of the emission lifetime corresponding to an effective Purcell factor of up to 2. We furthermore investigate a benefcial regime of optical confinement where the Fabry-Pérot cavity mode is combined with additional mode confinement by the diamond nanocrystal itself, enabling sub-λ^3 mode volumes. We perform simulations that predict effective Purcell factors of up to 11 for NV centers and of up to 63 for silicon-vacancy centers, revealing a great potential for bright single-photon sources and effcient spin readout at ambient conditions.Diese Arbeit erforscht die Kopplung der Fluoreszenz von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in Diamant mit durchstimmbaren optischen Mikroresonatoren bei Umgebungsbedingungen, insbesondere im Regime der Purcell Verstärkung. Hierzu benutzen wir faserbasierte, offen zugängliche Fabry-Pérot Resonatoren, die für hohe Finesse und ultrakleine Modenvolumen optimiert sind. Verschiedene, komplementäre Bereiche der Resonatorverstärkung werden untersucht. Ein erstes Experiment basiert auf einem Resonator mit hoher Finesse und dielektrischen Spiegeln. Das Skalierungsverhalten der Purcell Verstärkung wird ausführlich ausgewertet, indem man sowohl das Modenvolumen des Resonators (V = 16 − 600 µm^3 ) als auch dessen Güte (Q = 6 · 10^3 − 2 · 10^6) über einen weiten Bereich verändert. Die spektrale Leistungsdichte der Emission kann durch den Resonator um einen Faktor von bis zu 300 überhöht werden. Das gesamte Leistugsvermögen dieses Resonators kann mit schmalbandigen Emittern ausgenutzt werden, deren Emissionslinienbreite kleiner als die Linienbreite des Resonators ist. Dies ist ein vielversprechender Ansatz für die Umsetzung von schmalbandigen Einzelphotonenquellen mit durchstimmbarer Wellenlänge und für die Erzeugung ununterscheidbarer Einzelphotonen bei Umgebungsbedingungen. Jedoch bleibt die Lebenszeit der Emission für breitbandige Emitter, wie dem NV-Zentrum bei Raumtemperatur, in dieser Anordnung nahezu unbeeinflusst. Um eine Veränderung der Lebenszeit und durch den Purcell-Effekt verstärkte Einzelphotonenemission direkt zu beobachten, stellen wir Faserresonatoren mit silberbeschichteten Spiegeln und ultrakleinen Modenvolumen, bis hinab zu V = 1.0 λ^3 = 0.34 µm^3, her. Wir demonstrieren resonatorverstärkte Fluoreszenzbildgebung, die das Auffinden und Untersuchen von verschiedenen einzelnen NV-Zentren mit einem Resonator erlaubt. Der Purcell-Effekt wird über eine gesteigerte Aufsammlung der Fluoreszenz nachgewiesen, mit einer Rate von bis zu 1.6 · 10^6 Photonen pro Sekunde von einzelnen NV-Zentren und außerdem durch die abstimmbare Veränderung der Emissionslebenszeit, entsprechend einem effektiven Purcell Faktor von bis zu 2. Des Weiteren untersuchen wir ein vorteilhaftes Regime, in dem der Diamant Nanokristall selbst eine zusätzliche Einschränkung der optischen Mode bewirkt, die sich mit der Mode des Fabry-Pérot Resonators verbindet und Modenvolumen unter 1 λ^3 ermöglicht. Simulationen ergeben effektive Purcell Faktoren von bis zu 11 für NV-Zentren und von bis zu 63 für Silizium-Fehlstellen-Zentren, wodurch das große Potenzial für helle Einzelphotonenquellen und für effzientes Spin-Auslesen bei Umgebungsbedingungen aufgezeigt wird