Im Rahmen dieser Arbeit wird die Dynamik kalter Atome in einem optischen Gitter untersucht, welches in einem Hochfinesse-Ringresonator gebildet wird. Mit Hilfe einer magneto-optischen Falle für Rubidium wird ein kalter Atomstrahl erzeugt, aus dem eine zweite magneto-optische Falle geladen wird. Dort fangen wir einige hundert Millionen Atome bei einer Temperatur von ca. 100 Mikrokelvin. Ein Teil dieser Atome wird in eine Stehwellendipolfalle transferiert, die in einem Ringresonator mit einer Finesse von 180000 und einer Linienbreite von ca. 17 kHz gebildet wird. Wir charakterisieren die Dipolfalle zuerst im Regime schwacher Atom-Lichtfeld-Kopplung bei einer Verstimmung des Fallenlasers von 7.4 nm. Mit Hilfe von Lebensdauer- und Temperaturmessungen beobachten wir Fallenverluste durch Zweikörperstöße und eine Abnahme der Temperatur mit der Zeit. Beides läßt sich mit evaporativer Kühlung erklären.
Das Regime der starken Wechselwirkung, in dem die Lichtverschiebung pro Photon größer als die Resonatorzerfallsrate ist, erreichen wir durch eine Reduzierung der Verstimmung auf 0.76 nm. Nun beobachten wir nicht-lineare Effekte wie dispersive optische Bistabilität und sogenannte Breathing-Oszillationen. Die meisten Messungen lassen sich hervorragend mit einem vereinfachten adiabatischen Modell erklären. Die nicht-adiabatische Effekte sind im Einklang mit numerischen Simulationen des kompletten Systems der klassischen Bewegungsgleichungen.
This thesis explores the collective atomic motion of atoms trapped in an optical lattice formed inside a high-finesse ring cavity. We employ a double magneto-optical trap setup to collect several hundred million atoms at a temperature of 100 microkelvin in a UHV environment. We transfer the cold atoms into a standing wave dipole trap, which is formed inside a ring resonator with a length of 97 mm, a cavity linewidth of 17 kHz, and a finesse of 180000. In a first set of experiments, we use a detuning of the trapping light of 7.4 nm and find stable trapping conditions despite of the small cavity linewidth. By measuring the lifetime and the temperature of the trapped atoms, we observe a strong two-body loss accompanied by a temperature reduction, which we is explained by evaporative cooling.
For a detuning of only 0.76 nm, we access the strong atom-cavity coupling regime where the light shift per photon times the number of atoms exceeds the cavity decay rate. We find non-linear dynamics of the intra-cavity field such as dispersive optical bistability resulting from the collective character of the atomic motion. Our observations are in good agreement with a simplified model assuming adiabaticity of the atomic motion. Non-adiabatic phenomena with respect to the radial degrees of freedom are explained by solving the complete set of the non--linear coupled equations of motion.