Single atom detection on an atom chip with integrated optics [Elektronische Ressource] / presented by Marco Wilzbach

De
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Marco Wilzbachborn in: Frankfurt/Main, GermanythOral examination: July 4 2007Single atom detection on an atomchip with integrated opticsReferees: Prof. Dr. Jorg Schmiedmayer¨Prof. Dr. Joachim UllrichZusammenfassungNachweis einzelner Atome auf einem Atomchip mittels integrierterOptikGegenstand dieser Arbeit ist die Miniaturisierung und Integration von Detektoren fu¨rden Nachweis einzelner Rubidiumatome auf einem Atomchip. Zu diesem Zweck wur-den drei verschiedene Detektoren fur den Atomnachweis mittels Absorption und Fluo-¨reszenz entwickelt: i) Ein Fluoreszenzdetektor wurde mittels einer fokussierenden Linsen-faser senkrecht zu einer Sammelfaser realisiert. ii) Ein Absoptionsdetektor wurde gebaut,indem eine fokussierende Linsenfaser gegenu¨ber einer Multimodefaser platziert wurde. iii)EindurchstimmbarerResonatordetektorwurdeauszweiaufderAtomchipoberflachebefes-¨tigten Singlemodefasern aufgebaut. Um die Detektoren auf der ebenen Fla¨che des Atom-chips positionieren zu konnen, wurde unter Verwendung lithographischer Verfahren eine¨Haltestruktur entwickelt. Diese Strukturen erlauben eine sehr genaue und stabile passivePositionierung der Fasern.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Marco Wilzbach
born in: Frankfurt/Main, Germany
thOral examination: July 4 2007Single atom detection on an atom
chip with integrated optics
Referees: Prof. Dr. Jorg Schmiedmayer¨
Prof. Dr. Joachim UllrichZusammenfassung
Nachweis einzelner Atome auf einem Atomchip mittels integrierter
Optik
Gegenstand dieser Arbeit ist die Miniaturisierung und Integration von Detektoren fu¨r
den Nachweis einzelner Rubidiumatome auf einem Atomchip. Zu diesem Zweck wur-
den drei verschiedene Detektoren fur den Atomnachweis mittels Absorption und Fluo-¨
reszenz entwickelt: i) Ein Fluoreszenzdetektor wurde mittels einer fokussierenden Linsen-
faser senkrecht zu einer Sammelfaser realisiert. ii) Ein Absoptionsdetektor wurde gebaut,
indem eine fokussierende Linsenfaser gegenu¨ber einer Multimodefaser platziert wurde. iii)
EindurchstimmbarerResonatordetektorwurdeauszweiaufderAtomchipoberflachebefes-¨
tigten Singlemodefasern aufgebaut. Um die Detektoren auf der ebenen Fl¨ache des Atom-
chips positionieren zu konnen, wurde unter Verwendung lithographischer Verfahren eine¨
Haltestruktur entwickelt. Diese Strukturen erlauben eine sehr genaue und stabile passive
Positionierung der Fasern. Um die Detektoren im Einzelnen zu testen wurde ein thermis-
ches Ensemble von Rubidiumatomen in einer magneto-optischen Falle prapariert. Danach¨
wurden die Atome in die magnetischen Mikrofallen des Atomchips transferiert und zu
einem der Detektoren geleitet. Jeder integrierte Detektor wurde durch verschiedene Mes-
sungen bewertet. Von diesen Detektoren erreichte der Fluoreszenzdetektor mit 54% die
hochste Effizienz fur den Nachweis einzelner Atome. Dadurch war es moglich Messungen¨ ¨ ¨
der magnetisch gefu¨hrten Atome auf dem Niveau einzelner Atome durchzufu¨hren und die
fundamentalen Eigenschaften der eingeschlossenen Atome zu studieren.
Abstract
Single atom detection on an atom chip with integrated optics
The subject of this thesis is the miniaturization and integration of detectors for the
detection of single rubidium atoms on an atom chip. For this purpose three different
detectorsweredevelopedforatomdetectionbyabsorptionorfluorescence: i)Afluorescence
detectorwasrealizedbymountingataperedlensedfiberperpendiculartoacollectionfiber.
ii) An absorption detector was built by placing a multi-mode fiber in-line with a tapered
lensed fiber. iii) A tunable cavity detector was built from two single mode fibers mounted
onthechipsurface. Tomountthedetectorsontheplanarsurfaceoftheatomchipretaining
structures by means of lithographical techniques were developed. Those structures allow a
veryaccurateandstablepassivefiberalignment. Totesttheindividualdetectorsanatomic
ensemble of thermal rubidium atoms was prepared in a magneto-optical trap. Then the
atoms were transferred into magnetic micro-traps of the atom chip and were guided to one
of the detectors. Each integrated detector has been evaluated by several characterization
measurements. With the fluorescence detector the highest single atom detection efficiency
of 54% was attained. Thereby it was possible to perform quantitative measurements for
the magnetically guided atoms on a single atom level and to study fundamental properties
of the confined atoms.¨Stets findet Uberraschung statt
Da, wo man’s nicht erwartet hat.
Wilhelm BuschContents
I Introduction 1
1 Introduction and Motivation 3
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Detecting single atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
II Experimental Setup 11
2 Overview 13
3 Trapping atoms 15
3.1 Magneto optical trap - MOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Magnetic traps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4 Vacuum system 25
4.1 Vacuum chamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Chip mounting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5 Laser system 29
5.1 MOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.2 Diode lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
5.3 Means of Laser Frequency Stabilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.4 Fibre optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.5 Imaging system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6 Atom Chip 39
6.1 Atom Chip production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.2 Properties of Fiber Cavities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6.3 Other fiber optical components for the atom chip . . . . . . . . . . . . . . 47
6.4 Integration of fibers on the atom chip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
6.5 Chip bonding and integration on the mounting . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7 Computer control and data acquisition 55
7.1 Labiew Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
III Fibre Detection 57x Contents
8 Introduction and Overview 59
8.1 Experimental setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9 Fluorescence Detector 69
9.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
9.2 Background evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
9.3 Typical atomic signal from the guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
0 09.4 Spectroscopy of the|2,m i→|F ,m i transition . . . . . . . . . . . . . . 76F F
9.5 Spectroscopy for different intensities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
9.6 Geometrical detection effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
9.7 Determination of the number of atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
9.8 Tomography of the magnetic guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
10 Absorption Detection 105
10.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
10.2 Setup. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
10.3 Typical signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
010.4 Spectroscopy of the|2,m i→|3,m i transition . . . . . . . . . . . . . . 107F F
10.5 Determination of number of atoms in the detector . . . . . . . . . . . . . . 108
10.6 Geometrical detection effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
10.7 Signal to noise ratio and relative dip depth as a function of laser power . . 109
10.8 Tomography of the magnetic guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
10.9 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
11 Fibre detection improvements 117
11.1 Comparison of fluorescence and absorption detector . . . . . . . . . . . . . 117
11.2 Dipole trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
11.3 Fibre cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
IV Conclusion 127
12 Summary 129
V Appendices 133
A Properties of rubidum 87 135
B Laser Lock Electronics 139
C Chip Mounting Technical Drawings 151
D Vacuum Chamber Technical Drawings 155
E Acknowledgement 159

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