Kurzfassung
Diese Arbeit behandelt die Realisierung und Charakterisierung eines gepulsten, superradianten Lasers mit Kalzium. Als Laserübergang wird die Interkombinationslinie $/ket{^3/text{P}_{1}} /rightarrow /ket{^1/text{S}_0}$ bei $657$ nm genutzt, deren natürliche Linienbreite 374 Hz beträgt.
Superradiante Pulse basieren auf der kollektiven Lichtemission von angeregten Atomen. Dabei ist die kollektive Zerfallsrate gegenüber der spontanen Zerfallsrate eines einzelnen Atoms erhöht. Für die Ausbildung eines intensiven Lichtpulses ist die Unterdrückung inhomogener Linienverbeiterungen notwendig. Dazu werden die Kalziumatome in einem eindimensionalen optischen Gitter innerhalb des Laserresonators gefangen, wodurch der Dopplereffekt entlang der Resonatorachse unterdrückt wird. Um dabei nicht die Übergangsfrequenz der Interkombinationslinie zu beeinflussen, wird ein Gitter mit magischer Wellenlänge verwendet.
Zusätzlich wird für das obere Laserniveau der magnetisch insensitive $/ket{^3/text{P}_{1,m=0}}$-Zustand verwendet, der sich durch seine Unempfindlichkeit gegenüber fluktuierenden Magnetfeldern auszeichnet.
Die in dieser Arbeit präsentierten Messergebnisse zeigen eine quadratische Abhängigkeit der Photonenrate von der Emitterzahl N, was den kollektiven Charakter von superradianter Lichtemission widerspiegelt. Die Pulsbreiten liegen in der Größenordnung von wenigen 10 $/mu$s, was die natürliche Lebensdauer des $/ket{^3/text{P}_{1}}$-Niveaus von 417 $/mu$s deutlich unterschreitet. Die superradiante Emission wird für bis zu $N = 4 /times 10^4$ realisiert, resultierend in einer maximalen Photonenrate von $4 /times 10^9$ s$^{-1}$, die equivalent zur Leistung $P=1$ nW ist.
Der kollektive Zerfall wird mit dem ersten spontan emittierten Photon ausgelöst. Die Entstehung eines klassischen superradianten Pulses ist somit das Resultat von mikroskopischen Quantenfluktuationen. Diese lassen sich auf makroskopischer Ebene in Form von zeitlich fluktuierenden Pulsverzögerungen beobachten. In dieser Arbeit erfolgt eine quantitative Untersuchung der stochastisch bedingten Initiierung des Lasings über eine statistische Datenauswertung der Pulsverzögerungszeiten bei unterschiedlichen Atomzahlen. Darüber hinaus wird die gemessene Häufigkeitsverteilung mit einem von uns entwickelten theoretischen Modell reproduziert.
This thesis presents the first pulsed superradiant laser using the $/ket{^3/text{P}_{1}} /rightarrow /ket{^1/text{S}_0}$ intercombination line in calcium. The lasing transition at $657$ nm has a natural linewidth of 374 Hz. Superradiant pulses are based on collective light emission of an excited atomic ensemble. In order to form an intense light pulse, suppression of inhomogeneous line broadening is essential. Therefore, we prepare calcium atoms in an one-dimensional optical intracavity lattice to suppress the doppler effect along the laser cavity axis. With the use of a /textit{magic} lattice the laser transition is not modified by intensity fluctuations of the lattice laser. In addition, we use the $/ket{^3/text{P}_{1,m=0}}$ state as the upper laser level, ensuring the transition frequency is not influenced by a fluctuating magnetic field. We detect superradiant pulses with a duration of about several ten $/mu$s, much shorter than the natural lifetime of the $/ket{^3/text{P}_{1}}$ state (417 $/mu$s) and a photon rate which is proportional to the square of the atom number $N$, thus reflecting the collective enhancement of superradiant emission. The collective decay of up to $N = 4 /times 10^4$ is observed, resulting in a maximum photon rate of $4 /times 10^9$ s$^{-1}$ which is equivalent to an output power of $P=1$ nW. In the experiment an incoherent pumping scheme is used to produce a completely inverted ensemble. Its collective decay arises from the first spontaneously emitted photon. Thus, the evolution of superradiant pulses is triggered by microscopic quantum fluctuations, which translate into macroscopic shot to shot delay time fluctuations of classical superradiant pulses. The stochastic nature of superradiance is studied quantitatively by measuring the pulse delay time statistics for different atom numbers. We find very good agreement between the observations and our analytical model for the delay time distribution.