Diese Arbeit behandelt Experimente mit ultrakalten Atomen und Hochfinesse-Resonatoren schmaler Linienbreite.
Im ersten Teil wird eine dispersive Normalmodenaufspaltung im Regime starker kooperativer Kopplung zwischen einem ultrakalten, thermischen Atomensemble und einem Dreispiegel-Laufwellenresonator mit einer Finesse von 180 000 und einer Feldzerfallsrate von κ≈π · 18 kHz vorgestellt. Mehrere Millionen 85Rb Atome werden in die Dipolfalle des symmetrisch gepumpten Ringresonators geladen. Mit Transmissionspektroskopie wird die Frequenzantwort des Atom-Resonator Systems mithilfe eines auf den Pumplaser phasenstabilisierten und um einen freien Spektralbereich frequenzverschobenen Lasers aufgenommen.
Normalmodenaufspaltung entsteht, wenn bei Atomzahlen von mehr als einer Million Bragg-Streuung am Atomgitter die gegenläufigen Resonatormoden koppelt. Die beobachteten Phänomene wie z.B. mechanische Rückwirkung des Abfragelasers auf das Atomgitter werden analytisch modelliert.
Im zweiten Teil wird eine neue Apparatur für die Untersuchung eines neuen Atom-Resonator-Kopplungsregimes vorgestellt. Im weitverstimmten, dispersiven Regime dominiert die kohärente Quantenaustauschrate zwischen Atomensemble und Resonatormode die Zerfallsrate des atomaren Dipolmoments und besonders die Feldzerfallsrate im kHz-Bereich.
Ein Bose-Einstein-Kondensat in Zigarrenform von mehr als 2.2 · 105 87Rb Atomen wird im |F=2, mF = 2⟩-Zustand in einer QUIC-Magnetfalle erstmals entlang der Gravitationsrichtung orientiert präpariert. Es überlappt geometrisch mit der vertikalen TEM00-Mode eines Stehwellenresonators mit einer Finesse von 500 000, einer Resonatorfeldzerfallsrate κ≈π · 5.8 kHz und einer Einzelatomkooperativität von C ≥ 23. Das kohärente Resonator-zu-Gesamtraumwinkel Streuverhältnis beträgt 100 und kann durch geometrische Veränderung der Mode stabil von 30 bis über 120 eingestellt werden.
This thesis discusses experiments with ultracold atoms and high-finesse optical resonators with narrow cavity linewidths.
In the first part a dispersive normal mode splitting arising from strong cooperative coupling between an ensemble of ultracold thermal atoms and a three mirror running wave resonator with a finesse of 180 000 and a field decay rate of κ ≈ π · 18 kHz is presented. The intracavity dipole trap of the symmetrically pumped ring resonator is loaded with several million 85Rb atoms forming a lattice. The spectral response of the atom-cavity system is probed in transmission spectroscopy by a laser phase-locked to the cavity pump and detuned in frequency by one free spectral range.
Normal mode splitting arises when the intracavity atom number is above one million, where coherent Bragg scattering from the lattice couples both counter-propagating cavity modes. The observed features including mechanical effects due to retroaction of the probe upon the lattice are modeled analytically.
In the second part a newly designed and built setup for investigating a new regime of atom-cavity coupling is presented. Even in the dispersive regime, far-detuned from the atomic resonance, the coherent quantum exchange rate between atom ensemble and cavity mode dominates over the atomic dipole moment decay rate and by far the field decay rate in the kHz-range.
A Bose-Einstein condensate of above 2.2 · 105 87Rb atoms in the |F=2, mF = 2⟩-state is prepared in a QUIC-style magnetic trap with weak confinement in the direction of gravity for the very first time. It is overlapped with the vertical TEM00 mode of a standing-wave resonator with a finesse of above 500 000, a cavity field decay rate κ ≈π · 5.8 kHz and a singled atom cooperativity of C ≥ 23. The coherent cavity-to-free-space scattering ratio is adjusted to 100 and can cover a range from below 30 to above 120 stably by geometrically changing the mode.