Helle atomare Solitonen - KOPS - Universität Konstanz

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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 <strong>atomare</strong> Funnel √ k L rΓ 4m Der <strong>atomare</strong> 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.
1.2. LASERKÜHLUNG - KÜHLEN UND FANGEN DER ATOME 17 a r r push- Strahlen Stromrichtung Magnetfeld- Spulen z Funnel- Strahlen Atomstrahl Spiegel b c [G/cm] dB /dr r B r [G](z=0) 11 10 9 8 40 30 20 10 -4 -4 -2 -2 0 0 2 2 4 z[cm] 4 r[cm] Abbildung 1.4: (a) Schematischer Aufbau des Funnels: Die Geometrie der Magnetfeldspulen erzeugt ein axiales Quadrupolfeld, das für die zweidimensionale Laserkühlung benötigt wird. Die beiden push-Strahlen bewirken in der dritten Raumrichtung ebenfalls eine Kühlung der Atome, allerdings ohne eine rücktreibende Kraft auszuüben. Ein Loch im Spiegel des Strahlengangs der push-Strahlen führt zu einem Ungleichgewicht im Strahlungsdruck, wodurch die Atome in einem langsamen Strahl in Richtung 3d-MOT entweichen. Die blauen Pfeile kennzeichnen die Richtung des Stromflusses durch die einzelnen Magnetfeldspulen. (b) Berechneter radialer Magnetfeldgradient entlang der Symmetrieachse. (c) Magnetfeld in radialer Richtung im Zentrum der Spulen (z = 0). Auf der Größenskala der Laserstrahlen (axial 35 mm, radial 20 mm) sind die Gradienten als homogen anzusehen. gegenüber dem F = 2 → F ′ = 3 -Übergang der D 2 -Linie. Der transversale Magnetfeldgradient beträgt 10.5 G/cm bei einem Strom von 10 A. Der Funnel wurde justiert, indem die Laderate der, den kalten Atomstrahl fangenden, 3d-MOT optimiert wurde. Die magneto-optische Falle Der kalte Atomstrahl fällt auf seinem Weg vom Funnel zur 3d-MOT ca. einen Zentimeter im Schwerefeld der Erde. Man kann dies Ausnutzen, um das Kondensat von den schnellen thermischen Hintergrundatomen aus der Funnelkammer geometrisch abzuschatten: man positioniert die 3d-MOT derart, dass sie den kalten Atomstrahl fangen kann, die direkte ” Sichtverbindung“ zum Spiegelloch, also zur Funnelkammer, durch Vakuumbauteile jedoch versperrt ist. Der Aufbau der 3d-MOT ist in Abb. 1.5 dargestellt, er entspricht dem Standardaufbau [28] mit einem sphärischen Quadrupolfeld und drei Laserstrahlpaaren in σ + /σ − Konfiguration. Allerdings schließen die beiden horizontalen Strahlenpaare aus geometrischen Gründen nur einen Winkel von 50 ◦ ein. Der Magnetfeldgradient wird erzeugt durch ein Spulenpaar in Antihelmholtzkonfiguration. Im Experiment beträgt der Gradient in radialer Richtung typischerweise B r = 4 G/cm bei einem Strom von I = 4.5 A. Die Laserstrahlen besitzen einen Durchmesser von 18 mm, eine Intensität von 5 mW/cm 2 , bei einer Gesamtleistung von 50 mW und einem Detuning von δ = −1.4 Γ.
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Literaturverzeichnis [1] S.N. Bose.
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LITERATURVERZEICHNIS III [27] S. Ch
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LITERATURVERZEICHNIS V [56] J. Dali
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LITERATURVERZEICHNIS VII [87] D.M.
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Danksagung An dieser Stelle möchte
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