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Entwicklung eines Systems zum Fangen und Kühlen von atomarem Quecksilber

John, Holger :
Entwicklung eines Systems zum Fangen und Kühlen von atomarem Quecksilber.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung eines Systems zum Fangen und Kühlen von atomarem Quecksilber
Language: German
Abstract:

Quecksilber hat eine lange Historie in der Geschichte der Wissenschaft. Auch in der Zeit der Quantenoptik eröffnet Quecksilber eine Vielzahl an Forschungsmöglichkeiten. So bietet ultrakaltes Quecksilber beispielsweise die Möglichkeit der Realisierung eines neuen Zeitstandards auf Basis des Uhrenübergangs von 1S0 nach 3P0. Mittels Photoassoziationsspektroskopie bietet sich auch die Möglichkeit Quecksilberdimere zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mehrstufiges Lasersystem entwickelt, das schmalbandiges Licht bei einer Wellenlänge von 253,7nm für den Betrieb einer magneto-optischen Falle, engl. magneto-optical trap (MOT), für Quecksilber zur Verfügung stellt. Anschließend wurde sowohl eine 2D-MOT wie auch eine 3D-MOT realisiert und die sechs häufigsten Isotope einzeln darin gefangen. Den Ausgangspunkt des Lasersystems bildet ein Diodenlaser mit externem Resonator, engl. external cavity diode laser (ECDL). Dieser gibt als Hauptoszillator die spektralen Eigenschaften des Systems vor und besitzt bei einer Wellenlänge von 1014,7nm eine Ausgangsleistung von 57,0mW und eine gesamte Linienbreite von (4,80 +/- 0,13) kHz, gemessen auf einer Zeitskala von 1,78 µs. Zur anschließenden Leistungsverstärkung wurde ein Faserverstärker entwickelt. Hierbei musste zunächst die Reabsorption des verstärkten Lichts durch die thermische Besetzung des unteren Verstärkungsniveaus als Limitierung überwunden werden. Dies gelingt durch die Kühlung der Verstärkerfaser auf -60 °C, was eine maximale Ausgangsleistung von (6,650 +/- 0,049)W bei einer Effizienz von (37,0 +/- 0,2)% ermöglicht. Nach der Verstärkung des Lichts bei 1014,7nm wird es mittels zweier Überhöhungsresonatoren zu 253,7nm zweifach in seiner Frequenz verdoppelt. Dabei konnte in der ersten und zweiten Stufe jeweils eine Effizienz von 59,5% beziehungsweise von 19,5% erreicht werden. Es wird insgesamt ausreichend Leistung zur Verfügung gestellt, so dass sowohl die 2D- und 3D-MOT als auch die dopplerfreie Sättigungsspektroskopie zuverlässig betrieben werden konnten. Aufgrund der geringen natürlichen Linienbreite von 1,27MHz des verwendeten Kühlübergangs ergibt sich eine hohe Anforderung an das Lasersystem. Um diese zu erfüllen, wird der Diodenlaser zunächst auf einen Referenzresonator stabilisiert. Dessen spektrale Auflösung ist mit (1,220 +/- 0,005)MHz vergleichbar zu der natürlichen Linienbreite des Kühlübergangs. Die Standardabweichung der Stabilisierung beläuft sich auf 28,4 kHz über einen Zeitraum von 1,0 s, was eine gute Grundlage für die anschließende Stabilisierung des Referenzresonators mittels einer dopplerfreien Sättigungsspektroskopie auf den Kühlübergang des zu fangenden Quecksilberisotops bildet. Bedingt durch einen technischen Schaden am bestehenden Vakuumsystem musste dessen Quellkammer ersetzt werden. In dieser neu aufgebauten Quellkammer wurde eine 2D-MOT realisiert und erste Fluoreszenzmessungen am erzeugten Atomstrahl durchgeführt. Abschließend wurde in der Hauptkammer eine 3D-MOT realisiert und charakterisiert. Es konnten die sechs häufigsten Quecksilberisotope gefangen und die vertikale beziehungsweise horizontale Temperatur der Ensemble anhand von 202Hg auf (81 +/- 4) µK und (57 +/- 4) µK bestimmt werden. Damit wurde die Grundlage für eine Vielzahl von Experimenten an ultrakalten Quecksilberatomen gelegt. Durch die technischen Erkenntnisse ist es möglich das System um einen zweiten Laser für die Photoassoziationsspektroskopie zu erweitern.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Mercury studies have a long scientific history. Even in the world of quantum optics mercury research shows a variety of opportunities. There is the possibility of employing it as part of a new time standard by use of the clock transition from 1S0 to 3P0. Additionally, the generation of mercury dimers using photo-asssociation-spectroscopy offers key to ultra cold molecule physics. In this thesis, a newly developed multistage laser system is presented exhibiting narrow linewidth emission at 253.7nm for magneto-optical trapping (MOT) of atomic mercury. In addition, a 2D-MOT and 3D-MOT have been realized and the six most abbundant isotopes have been captured. The starting point of the laser system is a new external cavity diode laser (ECDL). As the master oscillator it defines the spectral properties at the fundamental wavelength of 1014.7nm with a narrow linewidth of (4.80 +/- 0.13) kHz on a timescale of 1.78 µs and produces 57.0mW of output power. In the next step a new fiber amplifier was developed. For this the reabsorption of the amplified power needed to be overcome, which was achieved by cooling most of the fiber to a temperature of -60 °C. Through this an output power of up to (6.650 +/- 0.049)W at an efficiency of (37.0 +/- 0.2)% can be reached. The amplified light is then twice frequency doubled to 253.7nm employing two build-up cavities. Hereby efficiencies of 59.5% in the first and 19.5% in the second stage have been obtained. In total the system delivers enough power to run the 2D- and 3D-MOT as well as the Doppler free saturation spectroscopy for the frequency stabilisation. The narrow natural linewidth of 1.27MHz of the cooling transition poses high demands on the stability of the laser system. To meet them the master oszillator is first stabilized to a reference resonator with a spectral resolution of (1.220 +/- 0.005)MHz which is comparable to the natural linewidth of the transition. The stabilisation shows a standard deviation of 28.4 kHz on a timecale of 1.0 s. The resonator itself is then stabilizied by a Doppler free saturation spectroscopy to the cooling transition of the chosen isotope. Due to a technical malfunction of the vaccum system the source chamber had to be exchanged. As part of the new chamber a 2D-MOT has been realized and first fluorescence measurements have been carried out. Finally, a 3D-MOT has been realizied and characterized in the main chamber. The six most abundant isotopes have been captured and the vertical and horizontal temperature of the ensembles have been measured to (81 +/- 4) µK and (57 +/- 4) µK using 202Hg . This work establishes the foundation of series of experiments with ultra cold mercury. Based on the laser technology, a second narrow linewidth laser can easily be integrated into the system.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
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
Date Deposited: 04 Feb 2019 10:58
Last Modified: 04 Feb 2019 10:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83810
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 12 November 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8381
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