Kurzfassung
In dieser Arbeit wird Fluoreszenz- und Absorptionsspektroskopie an einem einzelnen Barium-Ion
untersucht.
Das Ion ist in einer miniaturisierten Paul-Falle im Vakuum eingeschlossen und wird mit schmalbandigen
Laserlichtquellen (Emissionsbandbreite < 12 kHz) bei 493 nm und 650 nm zur Resonanzfluoreszenz
angeregt. Die Lichtfelder koppeln die Energie-Niveaus 6S1/2 und 5D3/2 über Dipolmomente an das 6P1/2-
Niveau, so daß ein L-fömiges Anregungsschema entsteht. Das 3-Niveau-System spaltet aufgrund des
Zeeman-Effekts in acht Niveaus auf.
Zur Fluoreszenzanalyse wird die Resonanzfluoreszenz des Ions in Abhängigkeit von der Verstimmung des
Lichtfeldes bei 650 nm nachgewiesen (Änregungsspektrum") und die Resonanzfluoreszenz auf dem S1/2-
P1/2 Übergang mit Hilfe eines konfokalen Resonators spektral analysiert ("Spektrum der
Resonanzfluoreszenz").
Die Messgrösse in den Anregungsspektren ist die Resonanzverschiebung e, die definiert ist als
Differenzfrequenz zwischen Hell- und Dunkelresonanz. Zur physikalischen Interpretation von e wird das
8-Niveau-System in vier 3-Niveau-Systeme unterteilt. Im 3-Niveau-System wird e analytisch mit Hilfe der
optischen Bloch-Gleichungen berechnet und mit berechneten Lichtverschiebungen der Kohärenzen der
Dichtematrix bzw. der Energieniveaus verglichen. Für Rabi-Frequenzen größer als die natürliche
Linienbreite des Bariums (Wg,r > G) bei beliebigen Lichtfeldverstimmungen Dg, und für Wg,r < G bei
nicht-resonanter Einstrahlung (¦Dg¦>>G) stimmen Resonanz- und Lichtverschiebungen überein.
Die Anregungsspektren werden in Abhängigkeit von den Lichtfeldparametern (Wg,r und Dg)
experimentell untersucht. Die Anpassung der Messdaten wird mit den optischen Bloch-Gleichungen für
das 8-Niveau-System durchgeführt und mit Hilfe des "dressed atom" Modells interpretiert. Aus den
Anpassungen der Messwerte wird die Resonanzverschiebung e bestimmt. Diese Werte für e werden mit
den im 3-Niveau-System analytisch berechneten Werten verglichen. Für kleine Rabi-Frequenzen (Wg,r <
G) stimmen Modell und Experiment überein, während für grosse Rabi-Frequenzen (Wg,r > G)
Abweichungen auftreten, da in diesem Fall das 8-Niveau-System nicht durch vier unabhängige 3-Niveau-
Systeme modelliert werden kann.
Das Spektrum der Resonanzfluoreszenz auf dem S1/2-P1/2 Übergang besteht für nicht-resonante, starke
Wechselwirkung (Wg,r >>G) aus sieben Komponenten. Von diesen sieben Linien werden im Experiment
fünf aufgelöst. Die Messungen stellen den ersten Nachweis des Spektrums der Resonanzfluoreszenz
eines einzelnen Atoms dar. Die gemessenen Spektren weisen aufgrund der Zeeman-Aufspaltung eine
Linienform auf, die nicht mit den optischen Bloch-Gleichungen für ein 3-Niveau-System, sondern nur mit
denen für ein 8-Niveau-System beschreibbar sind. Die Spektren werden in Abhängigkeit von den
Lichtfeldparametern untersucht und mit Hilfe des "dressed atom" Modells interpretiert. Für kleine Rabi-
Frequenzen (Wg,r < G) und/oder große Verstimmungen (¦Dg¦ >>G) ist die Linienbreite des Spektrums der
Resonanzfluoreszenz unter die natürliche Linienbreite reduziert. In diesem Fall werden Seitenbänder
aufgrund von Mikrobewegung des Ions beobachtet. Die minimale nachgewiesene
Mikrobewegungsamplitude beträgt 43 nm.
Mit Hilfe des Modulationstransfer-Verfahrens wird ein einzelnes Barium-Ion in Absorption nachgewiesen.
Mit diesem Verfahren wird die Absorption von Laserlicht bei 493 nm und 650 nm durch das einzelne Ion
nachgewiesen. Das Verhältnis des Signals zum Rauschuntergrund beträgt 2:1.
: In this thesis the fluorescence and absorption spectroscopy of a single Barium ion is investigated. he ion is confined in an miniaturised Paul trap in vaccum and resonance fluorescence is induced by excitation with laser light fields of very small emission bandwidth (less than 12 kHz) at 493 nm and 650 nm. The light fields couple the energy levels 6S1/2 and 5D1/2 by their dipol moments to the 6P1/2 level to construct an lambda shaped excitation scheme. The three level system splits into eight levels because of the Zeeman effect. Resonance fluorescence is detected by varriing the detuning of the light field at 650 nm ("excitation spectrum") and the resonance fluorescence on the S1/2 - P1/2 transition is analysed by an confocal resonator (ßpectrum of resonance fluorescence"). The observed variable which can be measured in the excitation spectra is the resonance shift e defined as the difference in frequency between the bright and the dark resonance. For physical interpretation of e the eight level system is split into four three level systems. In the three level system e is calculated analytically with the optical Bloch equations and compared with light shifts of the coherences of the density matrix and the light shift of the energy levels. With Rabi frequencies greater than the natural linewidth of the Barium ion (Wg,r > G) and arbitrary detuning Dg, and with small Rabi frequencies (Wg,r < G) and wide detuned light field (¦Dg¦>>G), the resonance and the light shifts agree. Excitation spectra are investigated experimentally by variing the laser light parameters (Wg,t and Dg,r). The fit of the measured data is done with the eight level optical bloch equation and interpreted with the dressed atom model. The resonance shift e is taken from the fit of the excitation spectra. These values are compared with resonance shifts calculated analytically with the three level Bloch equations. For small Rabi frequencies (Wg,r < G) the experiment agrees with theory, while for larger Rabi frequencies (Wg,r > G) there are differences because in this case the eight level system can't be spilt into four independent three level systems. The spectrum of resonance fluorescence on the S1/2-P1/2 transition consists in case of non resonant, strong interaction (Wg,r >> G) of seven line components. Five of these seven lines are resolved in the experiment. This is the first detection of single atom's resonance fluorescence spectrum. The measured spectra show line shapes that are influenced by the Zeeman split of the three level system and that can not be fit with three level theory but with the optical Bloch equations for eight levels. The spectra are analysed for various laser light parameters and interpreted with the dressed atom model. In case of small Rabi frequencies (Wg,r < G) and/or large detunings (¦Dg,r¦ >> G) the linewidth of the spectrum of resonance fluorescence is reduced below the natural linewidth of the Barium ion. In that case sidebands induced by the ions' micromotion are observed. The minimal observed micromotion amounts 43 nm. The single ion absorption is detected by using modulation transfer spetroscopy. With this method the absorption of laser light at 650 nm and 493 nm of a single Barium ion has been observed. The signal to noise ratio amounts 2:1.