Diese Arbeit behandelt Experimente zum resonatorgestützten Kühlen ultrakalter Atome in einem linearen Hochfinesse-Resonator.
Konventionelle Verfahren der Laserkühlung basieren auf der wiederholten Anregung von Atomen mit nahresonantem Licht, was die Anwendbarkeit auf wenige atomare Spezies bei geringen Teilchendichten beschränkt. Optische Resonatoren bieten neue Möglichkeiten zur Laserkühlung, die auf kohärenter Streuung von nicht-resonanten Photonen basieren und somit die durch Spontanemission bedingten Nachteile weitestgehend vermeiden. Hierbei wird vorausgesetzt, dass die Wahrscheinlichkeit der Streuung in eine Resonatormode im Vergleich zur Streuung in den freien Raum, beschrieben durch den sogenannten Purcell-Faktor, größer eins ist.
Es wird ein experimentelles System vorgestellt, dass erstmals einen hohen Purcell-Faktor (η C ≈ 44) mit einer Resonatorbandbreite (κ ≈ π · 9 kHz) kombiniert, die unterhalb der mit einem Einzelphotonenstreuprozess assoziierten Rückstoßfrequenz (≈ 14 kHz) liegt. Hierdurch wird ein bislang unerforschtes quantenmechanisches Regime der Atom-Resonator-Wechselwirkung erreicht, in dem die atomare Bewegung mit gezielter Dissipation manipuliert werden kann.
Wir überlagern ein Bose-Einstein-Kondensat bestehend aus etwa 105 87Rb-Atomen mit der TEM00-Mode unseres Hochfinesse-Resonators (F ≈ 340 000). Hieran wird zum ersten Mal resonatorgestütztes Heizen und anschließendes Kühlen bei Teilchendichten und Temperaturen demonstriert, die inkompatibel mit konventionellen Laserkühlmechanismen sind.
This thesis discusses cavity cooling with ultracold atoms in a linear high-finesse optical cavity.
Conventional laser cooling relies on repeated electronic excitation of atoms by near-resonant light, which constrains its area of application to a selected number of atomic species prepared at moderate particle densities. Optical cavities allow new laser cooling schemes, which are based on coherent scattering of off-resonant photons, thereby avoiding the limitations due to spontaneous emission. As a necessary requirement the probability of scattering into a cavity mode relative to the scattering into free space, the Purcell factor, has to exceed unity.
An experimental system is presented, which combines for the first time a high Purcell factor (η C ≈ 44) with a cavity bandwidth (κ ≈ π · 9 kHz) below the recoil frequency associated with the kinetic energy transfer in a single photon scattering event (≈ 14 kHz). This lets us access a yet unexplored quantum mechanical regime of atom-cavity interactions, in which the atomic motion can be manipulated by targeted dissipation.
We overlap a Bose-Einstein condensate of 105 87Rb-atoms with the TEM00-mode of our high-finesse cavity (F ≈ 340 000). With this setup we demonstrate for the first time ever cavity-induced heating and subsequent cooling at particle densities and temperatures incompatible with conventional laser cooling.