Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

16 KAPITEL 1. EXPERIMENTELLER AUFBAU
ser, ECDL 1) in Littrow-Konfiguration. Er liefert ∼ 15 mW Ausgangsleistung, ist auf
den F = 1 → F ′ = 2 -Übergang der D 2 -Linie (s. Abb. 1.3) ebenfalls mittels dopplerfreier
Sättigungsspektroskopie stabilisiert und besitzt eine Frequenzbreite, die wesentlicher
kleiner als die Linienbreite des D2-Übergangs ist. Da die Modenqualität und die
genaue räumliche Position des Rückpumperlichts keinen signifikanten Einfluss auf die
Laserkühlung haben, wird dieser Laser nicht durch eine Glasfaser geleitet.
1.2.3 Funnel und 3d-MOT
Der atomare Funnel
√
k L rΓ
4m
Der atomare Funnel wird zur Erzeugung eines Strahls kalter Atome verwendet. Er besteht
im Wesentlichen aus einer zweidimensionalen MOT, d.h. man kühlt die Atome
zunächst nur in zwei Dimensionen wobei man ein axiales Quadruplfeld 5 , also ein Feld
welches nur in zwei Raumrichtungen einen Gradienten besitzt, verwendet. Die Atome
sammeln sich dann auf der Symmetrieachse, es entsteht ein Atomstrahl in beide Richtungen
entlang dieser Achse. Die Atome hätten jedoch noch eine hohe mittlere Geschwindigkeit.
Deshalb strahlt man auch in Richtung der Symmetrieachse ein Paar Laserstrahlen
(die push“-Strahlen in Abb. 1.2) ein, die auf Grund des fehlenden Magnetfeldgradienten
nur eine Kühlung aber keine rücktreibende Kraft bewirken. In dieser Raumrichtung
”
liegt eine eindimensionale optische Melasse vor, die gesamte Anordnung wird auch als
2d + -MOT bezeichnet. Nachdem die Demonstration dieser Technik 1990 in Gruppe von
S. Chu gelang [62], wurde sie 1998 erstmals zur Erzeugung eines BEC verwendet [63].
Schematisch ist der Funnel in Abb. 1.4 (a) dargestellt. Der entgegen der gewünschten
Atomstrahlrichtung laufende Laserstrahl wird über einen Spiegel in der Kammer
reflektiert, der in der Mitte ein Loch von einem Millimeter Durchmesser besitzt. Dieses
Loch stellt zum einen die differentielle Pumpstufe dar, zum anderen führt es auf der
Funnelachse zu einem Ungleichgewicht im Strahlungsdruck, der die Atome durch das
Loch in Richtung 3d-MOT treibt. Typischerweise besitzt der Atomstrahl eine mittlere
Geschwindigkeit von ∼ 10 m/s [63]. Er ist somit langsamer als die maximale Einfanggeschwindigkeit
v max ≃ = 20 m/s der 3d-MOT6 und kann von dieser vollständig
gefangen werden.
Das axiale Quadrupolfeld wird durch zwei rechteckige Spulenpaare erzeugt, deren
Geometrie so gewählt ist, dass der transversale Magnetfeldgradient sowohl entlang der
Symmetrieachse als auch senkrecht dazu (Abb. 1.4 (b+c)) möglichst homogen ist 7 . Aus
Symmetriegründen gibt es keinen Magnetfeldgradienten entlang der Funnelachse. Die
gesamte Spulenanordnung kann über Feingewindeschrauben derart positioniert werden,
dass die Achse verschwindenden Magnetfelds genau das Loch im Spiegel trifft. Die Laserstrahlenpaare,
die die zweidimensionale Kühlung bewirken, sind σ + /σ − polarisiert und
haben einen elliptischen Querschnitt von 35 × 25 mm bei einer Intensität von typischerweise
2 mW/cm 2 . Die push-Strahlen sind rund mit einem Durchmesser von 20 mm und
einer Intensität von 1 mW/cm 2 . Die Verstimmung beträgt δ = −2 Γ = −2π × 11.5 MHz
5 Idealerweise wird ein solches Feld von vier stromduchflossenen, unendlich langen, quadratisch angeordneten
Leitern, erzeugt, wobei die Stromrichtung von jedem Leiter zu den beiden benachbarten
wechselt.
6 Hierbei bezeichnet r = 9 mm den Radius der 3d-MOT Laserstrahlen.
7 Jede Spule besteht aus 24 Windungen die ein Rechteck von 90 mm x 125 mm bilden.