Atomic waves in inhomogeneous light media [Elektronische Ressource] / Stephan Meneghini

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Publié le : samedi 1 janvier 2000
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12& T4*L(%12&)U "!#!D$?/:!%VDWK*,QX(D$F/F¨ur meinen Vater, der das Ende dieser
Promotion leider nicht mehr miterleben durfte.Amtierender Dekan: Prof. Dr. O. Marti
1. Gutachter: Prof. Dr. W.P. Schleich
2.hter: Prof. Dr. P. Reineker
Tag der Promotion: 16. Oktober 2000Zusammenfassung
Experimentelle Quantenoptik mit isolierten Quantensystemen ist ein jun-
ges Forschungsgebiet. Die technologischen Fortschritte der letzten Jahre ha-
ben viele grundlegende Experimente erst ermoglicht. Angespornt durch die¨
Versuche in der Gruppe von Mark Raizen (Austin) und Ton van Leeuwen
(Eindhoven) haben wir die Wechselwirkung von Lasern mit Atomstrahlen
untersucht. In diesen Experimenten wurde die transversale Struktur eines
Atomstrahls verandert. Diese Manipulationen werden durch die Modulation¨
des Laserfelds verursacht. Das Ziel dieser Arbeit ist die detaillierte Unter-
suchung verschiedener Laserfeldmodulationen in longitudinaler und trans-
versaler Richtung und deren Auswirkungen auf die Form des transversalen
Atomstrahlprofils. Zus¨atzlicharbeitenwirmitDampfung,¨ uminbestimmten
BereichenstorendeAtomezubeseitigen. FurunsereUntersuchungenverwen-¨ ¨
den wir analytische N¨aherungen und numerische Simulationen. Teile unserer
Arbeit wurden auch schon in Konstanz in der Gruppe von Jurgen Mlynek¨
experimentell realisiert. Dort ist das Ziel, Nanolithographie mit atomaren
Wellen zu entwickeln.
¨In unseren Uberlegungen kommt ein Strahl aus Zweiniveau-Atomen zum
¨Einsatz,dieeinstehendesLichtfelddurchqueren. DerLasersprichtdenUber-
gang von einem metastabilen Grundzustand zu einem angeregten Zustand
an. Von diesem aus ist zudem ein spontaner Zerfall moglich. Die transver-¨
sale Bewegung der Atome ist quantisiert. Wir haben nun die Auswirkungen
¨von Resonanz oder Verstimmung des Lasers bezuglich des Ubergangs unter-¨
sucht. Dabei konzentrieren wir uns auf Orts- und Impulsverteilungen der
Atome im Grundzustand. In unseren Rechnungen nehmen wir an, daß alle
Atome mit gleichbleibend hoher Geschwindigkeit fliegen. Deshalb konnen¨
wir die Koordinate in Ausbreitungsrichtung des Strahls eliminieren und das
Problem eindimensional beschreiben.
ImerstenTeilhabenwirgezeigt,daßeinstarkverstimmtes, stehendesLa-
serfeld einen Atomstrahl bundeln kann. Dabei wirken die einzelnen Schwin-¨
gungsknoten des Feldes als Linsen, die die Streuung des Atomstrahls verklei-
nern. Hier sind die Rollen von Licht und Materie im Gegensatz zur klassi-vi
schen Optik vertauscht. Wir nutzen die Lichtwellen, um Materie abzulenken
und zu fokussieren. Dabei finden wir auch im Rahmen der Atomoptik Lin-

senfehler“ oder Abberation. Fur eine perfekte Fokussierung waren unendlich¨ ¨
hohe, parabolische Potentiale notwendig, die experimentell nicht realisierbar
2sind. Stattdessen setzen wir das endliche Potential sin kx eines Feldes mit
Modenfunktion sinkx. Im Bereich der Knoten ist die parabolische Nahe-¨
rung sehr gut. Problematisch sind die Atome, die das Feld im Bereich der
Schwingungsbauche passieren, denn dort verfugt das Laserfeld nicht uberdie¨ ¨ ¨
notige¨ Ablenkungskraft. Damit diese Teilchen den Effekt der Fokussierung
nicht verwischen, werden sie durch rein mechanische Blenden entfernt. So
wird auf technisch einfache Weise die Qualitat¨ der Fokussierung verbessert.
Eine andere Moglichkeit des Ausblendens kann mit einem zusatzlichen,¨ ¨
resonanten Laser erzielt werden. Dieser wird der bisherigen Anordnung vor-
¨geschaltet und induziert den Ubergang in den angeregten Zustand. Dabei
erhalten wir mehr Zerfalle im Bereich der Schwingungbauche und wenige bei¨ ¨
den Knoten. Daraus resultiert ein gaußformiges¨ Profil unseres Atomstrahls,
dessen Maximum in die Schwingungsknoten der verstimmten Laserwelle zur
Fokussierung gefuhrt¨ werden kann. Durch die Kombination von resonan-
tem und verstimmtem Laser haben wir somit eine Fokussierung mit hoher
Qualitat¨ durchgefuhrt.¨
Bei bestimmten Parametern liegt die Fokusebene im Laserfeld. Deshalb
untersuchen wir auch Techniken, diese Ebene zu verschieben. Dabei ist es
auch moglich, die Abstande der fokussierten Maxima zu verkleinern. Dies¨ ¨
wird durch den fraktionalen Talbot Effekt bewirkt. Der einfache Talbot
Effekt fuhrt¨ durch freie Propagation einer Welle zur Wiederholung einer pe-
riodischen Struktur. Dies geschieht in makroskopischen Dimensionen und
ermoglic¨ ht die Wiederholung unserer fokussierten Abbildung außerhalb des
Laserfelds. Jedoch konnen auch bei ganz bestimmten Beobachtungsebenen¨
diese fokussierten Punkte in hoher Anzahl mit entsprechend geringerer Am-
plitude beobachtet werden. Dies ist der fraktionale Talbot Effekt. In un-
serem Fall erreichen wir so Abbildungen des fokussierten Atomstrahlprofils
im Bereich von einigen Nanometern mit einem Abstand von einer zehntel
Laserwellenlange.¨
Im n¨achsten Abschnitt unserer Untersuchungen haben die Atome nur ein
Laserfeld durchquert. Bei diesem wurde die Verstimmung wahrend des Ex-¨
perimentsver¨andert. Entweder war der Laser anfangs rot und zum Ende hin
blau verstimmt oder umgekehrt. Dabei wurde die Verstimmung so geregelt,
daß der Laser zum Zeitpunkt der maximalen Intensit¨at resonant war. Die-
ses Verhalten erzeugt sowohl Dampfung im Bereich der Resonanz als auch¨
transversale Streuung der Atome. Bei anfanglic¨ h rot verstimmtem Licht
fallen beide Effekte zusammen und wir erhalten einen Quantenteppich mit

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