Die Atomoptik hat sich auf dem Gebiet der ultrakalten Quantengase in den letzten Jahren als eine vollkommen eigenständige Disziplin etablieren können und damit zu fundamental neuen Erkenntnissen auf dem Gebiet atomoptischer Systeme geführt. Dabei richtet sich das Augenmerk im Rahmen aktueller Experimente verstärkt auf stark wechselwirkende, nichtlineare Systeme. Das im atomoptischen Sinne stark korrelierte, nichtlineare System besteht aus einem kalten, atomaren Quantengas und einem optischen Lichtfeld, welche in dieser Kombination in ein vorzugsweise eindimensionales Medium eingebettet sind.
Im Rahmen dieser Arbeit ist es erstmals gelungen, einen zweidimensionalen, photonischen Kristall in Form einer photonischen band gap Faser als neuartiges, nichtlineares Medium für atomoptische Experimente einzusetzen. Es konnte erstmals gezeigt werden, dass mit diesem System kalte Atome mit hohem Fluss und hoher Dichte optisch in der Faser über makroskopische Strecken hinweg geführt werden können.
Um dieses System studieren zu können, wurde ein neues Experiment zur Erzeugung kalter, optisch geführter Atome aufgebaut. Dieses umfasst ein komplexes, umfangreiches System aus Laserquellen, Optik und Elektronik zur Erzeugung, Manipulation und Detektion kalter, atomarer Rb - Ensembles sowie weitere Elemente zum Einsatz photonischer Fasern als Materiewellenleiter. Der Schwerpunkt der Untersuchung lag insbesondere auf der Charakterisierung des atomaren Flusses durch die photonische Faser. Es konnte gezeigt werden, dass die Dynamik der Atome und die Parameterabhängigkeit des Flusses sowohl mit einem im Rahmen der Arbeit entwickelten, numerischen Modell als auch mit anderen theoretischen Vorhersagen innerhalb der experimentellen Charakteristik gut übereinstimmen.
Möchte man dieses System als Injektor für andere Quantengasexperimente oder als atomoptisches Interferometer einsetzen, so ist man an einem kontinuierlichen, kohärenten Atomfluss interessiert.
Im Rahmen der Untersuchungen konnte demonstriert werden, dass dieser kontinuierliche Betrieb durch eine zusätzliche Dipolfalle vor der Faser realisiert werden kann. Bei geeigneter Wahl der Dipolfallengeometrie kann die Falle als Reservoir kalter Atome verstanden werden. Dieses führt zu einem Atomfluss, der deutlich länger aufrecht erhalten werden kann als in einem gepulsten System.
Weiterhin ist der Frage nachgegangen worden, welche experimentellen Möglichkeiten die nahezu perfekte Eindimensionalität dieses Systems, bestehend aus kalten, eingeschlossenen Atomen hoher Dichte, bietet. Es konnte in einer Analyse gezeigt werden, dass aufgrund der erzeugten Atomdichten und der energetischen Verteilung der Atome in der Faser der Einstieg in die kohärente Atomoptik möglich ist. Damit konnte mit diesem Experiment der Weg in Richtung eines neuartigen, kohärenten Materiewellenleiters geebnet werden.
Ebenso besteht experimentell die Möglichkeit, mit dem stark wechselwirkenden, photonischen System neue Akzente im Bereich der nichtlinearen Optik zu setzen. Zum einen werden aufgrund der hohen Nichtlinearität der Faser Vierwellenmischprozesse beobachtbar. Zum anderen eröffnet die Durchstimmbarkeit der Wechselwirkung die Möglichkeit, in das photonische Regime extremer Repulsion vorzustoßen. Dieses kann möglicherweise zu abgebremstem respektive gestopptem Licht und damit zur Erzeugung eines fermionisierten, photonischen Kristalls in Form eines Tonks - Girardeau - Gases führen, wie es in einer theoretischen Arbeit vorgeschlagen wurde.
In the field of ultracold quantum gases atom optics has been established as a completely new discipline in the last years. This led to fundmentally new results in the field of research of atom optical systems. In modern experiments especially strongly interacting nonlinear systems are of great interest. Such a strongly correlated system consists of a cold atomic quantum gas and a light field both embedded into a nonlinear medium.
This thesis documents for the first time that a two-dimensional photonic crystal fiber can be used as a novel nonlinear medium for atom optical experiments. It shows that cold atoms can be guided optically through this fiber with high efficiency and density.In order to study this system a new experiment for creating cold optically guided atoms has been built up. This complex experimental setup consists of high-stable laser sources, optics and electronics for generating, manipulating and detecting cold atomic rubidium ensembles as well as further elements for implementing photonic band gap fibers as matter wave guides. One focal point of the thesis has been the detailed investigation of the atomic flux through the fiber. This analysis demonstrates that the experimental parameters governing the atomic flux are in a good agreement with a self-developed numerical model as well as with other theoretical predictions.
For applying this system as injector for other quantum gas experiments or for atom interferometry, a continuous, coherent atomic flux is necessary.
Studies demonstrate that such a regime can be reached by using an additional dipole trap in front of the fiber. By properly chosen trap parameters this trap can be used as a reservoir of cold atoms. With this optical setup the atomic flux can be kept up significantly longer than in a pulsed guiding system.
Further the experimental possibilities of this nearly one-dimensional, cold, dense and tightly embedded atomic system are of great interest. The analysis shows that because of the generated atomic density and the energetic distribution of the atoms in the fiber potential a coherent atom optics is feasible with this system. So this experiment paves the way towards a novel, coherent matter waveguide. By exploiting the strongly photonic interaction in the fiber other physical regimes especially in the field of nonlinear optics can be reached. This includes for example the studies of four-wave-mixing processes in the photonic band gap fiber. In a recent theoretical paper it has been suggested to use the tunability of the atom-light interaction to reach a photonic regime of extremely strong repulsion. This possibly leads to decelerated or even stopped light forming a so-called Tonks-Girardeau gas.