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Ein Lasersystem zur Spektroskopie von hochgeladenen Ionen, Tellurmolekülen und Rubidium-Rydberg-Zuständen

Albrecht, Sebastian :
Ein Lasersystem zur Spektroskopie von hochgeladenen Ionen, Tellurmolekülen und Rubidium-Rydberg-Zuständen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Ein Lasersystem zur Spektroskopie von hochgeladenen Ionen, Tellurmolekülen und Rubidium-Rydberg-Zuständen
Language: German
Abstract:

Mit Hilfe von optischen Messmethoden können atomare Strukturen mit außerordentlicher Präzision untersucht werden. Abweichungen von den theoretischen Vorhersagen können dabei Hinweise auf neue physikalische Effekte liefern. Daher kommt Präzisionsmessungen an atomaren Übergängen auch in Zukunft große Bedeutung zu. Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein Lasersystem für Präzisionsmessungen an Bismuth (209 Bi82+ ), Tellur (130 Te2 ) sowie Rydberg-Zuständen von Rubidium (85 Rb) entwickelt und charakterisiert. In der Anwendung konnten spektroskopische Frequenzmessungen an Tellur und Rubidium realisiert werden. Das Lasersystem besteht aus einem zweifach frequenzverdoppelten Diodenlaser, der über einen optischen Resonator und ein RF-Schwebungssignal bei allen zugänglichen Wellenlängen absolut stabilisierbar ist. Der Aufbau des Lasersystems wird vorgestellt sowie die systematischen Abweichungen diskutiert, die durch Druckabhängigkeit des Brechungsindex der im Transferresonator enthaltenen Luft entstehen. Für ein geplantes Experiment zur Messung der Hyperfeinaufspaltung des Grundzustands von 209 Bi82+ ergibt sich eine Stabilität, die besser als 6,14 MHz bei 244 nm ist. Dies erlaubt eine Verbesserung der Präzision der Übergangsfrequenzmessung von vier Größenordnungen. Durch die Nutzung eines bereits installierten evakuierten Resonators lässt sich die Präzision zusätzlich steigern. Die erreichte Genauigkeit wird an einer 130 Te2 -Spektroskopie bestimmt. Acht aus der Literatur bekannte Referenzlinien mit Frequenzen zwischen 613720,717 GHz und 616803,545 GHz wurden erneut aufgenommen. Bei drei Linien, die im Emissionsspektrum eines Argon-Ionen-Lasers liegen, wurde eine Abweichung zu den in der Literatur angegebenen Frequenzen festgestellt. Weitere Unklarheiten in der Literatur werden behoben. Ebenfalls Teil dieser Arbeit ist die erstmalige präzise Vermessung von 843 dopplerfreien Referenzen zwischen 613881,150 GHz und 616614,258 GHz mit einer Genauigkeit von größtenteils unter 4 MHz. Des weiteren werden Messungen der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) an Rydberg-Übergängen von 85 Rb vorgestellt. Aufgenommene Übergangslinien mit Hauptquantenzahlen von n=20, 58, 79, 97 und 150 werden vorgestellt. Beispielhaft am Übergang mit dem Rydberg-Zustand 97 2 D an 85Rb wird das auftretende Spektrum an Zwei-Photonen-Resonanzen bei Variation von Anfangs-, Zwischen- und Endzustand analysiert und erklärt. Die Energieverschiebung von Unterzuständen durch elektrische und magnetische Felder wird untersucht. Durch eine Frequenzmessung am Zwei-Photonen-Übergang 5 2 S1/2 → 150 2 D5/2 wird die Ionisationsenergie von 85 Rb erneut bestimmt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Optical measuring methods allow the detection and identification of the atomic structure with extraordinary precision. Deviations to theoretical predictions can indicate unknown physical effects. Therefore, precise measurements on the atomic structure continue to be of large relevance. In this work, a laser system for precision spectroscopy on Bismuth (209 Bi82+ ), Tellurium (130 Te2 ) and Rydberg states of Rubidium (85 Rb) has been built and characterized. Spectroscopic measurements on Tellurium and Rubidium have been achieved with this setup. The system consists of a two-stage frequency doubled diode laser, stabilized via a cavity and an RF-offsetlock to arbitrary wavelengths with absolute high stability. The setup of the laser system will be presented and the systematic error caused by the refractive index of air inside the transfer cavity will be discussed. A stability of better then 6.14 MHz at 244 nm is obtained for planned experiments on the ground state hyperfine splitting of 209 Bi82+ . This will allow an increase in precision of more then four orders of magnitude for this measurement. Further increase in precision can be achieved by using an evacuated cavity. The obtained stability is measured by comparison of the laser frequency to absorption lines of Tellurium (130 Te2 ). Eight reference lines, known from literature, spanning the region from 613720.717 GHz to 616803.545 GHz have been measured. The frequency measurements of three lines, coinciding with the emission spectrum of an argon-ion-laser, show deviations with respect to the published frequencies. Further inconsistencies in literature are cleared. Part of this work is also the precise measurement of 843 Doppler-free 130 Te2 reference lines spanning the frequency range from 613881.150 GHz to 616614.258 GHz at a precision of better then 4 MHz for most lines. Additionally, measurements on electromagnetically induced transparency (EIT) using Rydberg transitions of Rubidium have been achieved. Recorded spectra of the transitions to the principal quantum numbers n=20, 58, 79, 97 and 150 are shown. This proofs the applicability of the built laser sys- tem to the full range of two-photon Rydberg excitation of Rubidium. When the ground, intermediate and exited state are varied, the resulting spectrum of resonances is explained and analysed representatively on the transition to the Rydberg D-states of 85 Rb with n = 97. The energy shift of the atomic levels by both electric and magnetic fields are examined. By measuring the two photon transition frequency of 5 2 S1/2 → 150 2 D5/2 , the ionization energy of 85 Rb is redetermined.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 04 Sep 2014 13:42
Last Modified: 04 Sep 2014 13:42
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-39061
Referees: Birkl, Prof. Gerhard and Walther, Prof. Thomas
Refereed: 21 July 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3906
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