Diplomarbeit Alexander Rettenmaier

Einleitung
Die Beschäftigung mit der besonderen Natur des Lichts führte zu Beginn des 20. Jahrhunderts
zur Entwicklung der Quantenphysik, die das physikalische Weltbild revolutionierte.
Auch heute noch lassen sich faszinierende Experimente mit Licht realisieren. In
einem optischen Resonator kann Licht z.B. für eine endliche Zeit gespeichert werden. Bei
äußerst kleinen Abmessungen des Resonators, die bis hinab zur Wellenlänge des verwendeten
Lichts reichen können, spricht man von einem Mikroresonator. In ihm wird das
gespeicherte Lichtfeld auf ein sehr geringes Volumen begrenzt. Dieses geringe Volumen in
Verbindung mit einer hohen Speicherzeit des Lichts im Resonator macht Mikroresonatoren
so interessant für vielfältigste Anwendungen [1]. Die Kombination der beiden Eigenschaften
ermöglicht hohe Intensitäten und damit eine starke Wechselwirkung des Lichtfelds mit
der umgebenden Materie.
Aus diesem Grund sind Mikroresonatoren ideal für den Einsatz in dem Bereich der
Resonator-Quantenelektrodynamik (kurz Resonator-QED) geeignet. In diesem Gebiet werden
quantenmechanische Effekte in der Wechselwirkung zwischen dem Lichtfeld eines Resonators
und Atomen oder anderen Dipolemittern untersucht. Dafür werden z.B. Fabry-
Pérot-Mikroresonatoren mit hochreflektierenden Spiegeln verwendet [2]. In diese können
mittels einer magneto-optischen Falle gekühlte Atome fallengelassen und dort durch eine
Dipolfalle gespeichert werden [3]. Eine weitere Möglichkeit die Atome zum Resonator zu
transportieren, ist der Einsatz eines atomaren Springbrunnens, mit dem sie von unten in
den Resonator geschossen werden [4, 5].
Einen anderen Typ von Mikroresonator stellt der Flüstergaleriemodenresonator dar. Es
handelt sich dabei um einen monolithischen Mikroresonator, der auf dem Prinzip der kontinuierlichen
Totalreflexion basiert. Durch den monolithischen Aufbau zeigen Flüstergaleriemodenresonatoren
eine deutlich größere passive Stabilität als Fabry-Pérot-Resonatoren
[6]. Zu diesem Typ gehörende Resonatoren wie Mikrokugeln oder Mikrotori sind allerdings
nur begrenzt abstimmbar, d.h. ihre Resonanzfrequenzen können nicht beliebig gewählt
werden. Dies ist insbesondere in der Resonator-QED ein großer Nachteil, da hier die Resonanzfrequenz
des Resonators auf die atomare Übergangsfrequenz des verwendeten Atoms
abgestimmt werden muss.
In dieser Arbeit wird ein anderer Typ von Flüstergaleriemodenresonator eingesetzt, der
sogenannte Flaschenresonator. Er ist vollständig abstimmbar und realisiert weiterhin die
hohe passive Stabilität und die hohe Speicherzeit des Lichtfeldes im Resonator, die man
von Mikrokugeln und -tori kennt [7]. Der Flaschenresonator soll daher in unserer Gruppe
in einem Experiment aus dem Gebiet der Resonator-QED verwendet werden, in dem die
Wechselwirkung zwischen dem Lichtfeld des Resonators und Rubidiumatomen im Bereich
der starken Kopplung untersucht werden soll. Im Fall der starken Kopplung überwiegt
die Wechselwirkungsstärke im Vergleich mit dissipativen Effekten, so dass letztere vernachlässigt
werden können.
Selbst die gute passive Stabilität des Flaschenresonators reicht allerdings nicht aus, um
die für das Experiment benötigte Stabilität der Resonanzfrequenz zu leisten. In Rahmen
1