Towards the quantum noise limit in Ramsey-Bordé atom interferometry [Elektronische Ressource] / von Tatiana Nazarova

Tatiana Nazarova

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• Physik

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• Publié par: gottfried_wilhelm_leibniz_universitat_hannover
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 33
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 1 Mo

Extrait

Towards the Quantum Noise Limit
in Ramsey-Bordé Atom Interferometry








Von der Fakultät für Mathematik und Physik der
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
zur Erlangung des Grades

Doktor der Naturwissenschaften
Dr. rer. nat.



genehmigte Dissertation
von


Dipl.-Phys. Tatiana Nazarova
geboren am 27.10.1976 in Novosibirsk (Russland)

2007






























Referent: Prof. Dr. Wolfgang Ertmer
Korreferent: Prof. Dr. Fritz Riehle
Tag der Promotion: 05 November 2007



Kurzzusammenfassung


Im Rahmen dieser Arbeit wurden die relevanten Rauschquellen in Atominterfero-
metern vom Ramsey-Bordé-Typ untersucht. Dazu gehören das Rauschen durch den
Anregungsprozess und das Rauschen bei der Detektion der atomaren Anregung. Im
ersten Teil der Arbeit werden Methoden zur Reduzierung des Frequenzrauschens des
Abfragelasers sowohl im niederfrequenten als auch im hochfrequenten Bereich vor-
gestellt. Eine Analyse der Kopplung der Vibrationen an den Resonator, auf den der
Laser stabilisiert ist, wurde durchgeführt. Daraus wurde eine neuartige Halterung des
Referenzresonators entwickelt und realisiert, mit der das Frequenzrauschen im nieder-
frequenten Bereich reduziert wurde. So konnte die Vibrationsempfindlichkeit um zwei
Größenordnungen in der vertikalen und um eine Größenordnung in der horizontalen
Richtung gegenüber dem bisherigen von unten gehaltenen Resonator verringert werden.
Des weiteren wurden die Reduzierung des hochfrequenten Frequenzrauschens durch die
Filterung durch einen optischen Resonator demonstriert und der Einfluss des hoch-
frequenten Rauschens auf die Frequenzstabilität des Atominterferometers untersucht.
Der zweite Teil der Arbeit zeigt die erreichten Verbesserungen in der Detektion des
Quantenzustands der Atome, die prinzipiell einen quantenprojektionsbegrenzten Nach-
6weis von 4·10 Atomen erlauben. Mit dem rauscharmen Abfragelaser und der verbesser-
ten Detektionsmethode wurden atominterferometrische Messungen an Ensembles
6 bestehend aus 4·10 ultrakalter Calciumatome (20 µK) durchgeführt und die Kurzzeit-
stabilität des Atominterferometers bestimmt. Aus dem gemessenen Signal-zu-Rausch-
-15Verhältnis wurde eine Frequenzstabilität von σ (1 s) = 7·10 für eine Zykluszeit von y
50 ms berechnet. Die nun durch den Dick-Effekt limitierte Stabilität liegt nur noch eine
Größenordnung über dem Quantenprojektionsrauschlimit.


Schlagworte: Ramsey-Bordé-Atominterferometrie, Frequenzstabilität des Atominter-
feromters, hochstabile Laser, Quantenprojektionsrauschen, Dick-Effekt



Abstract


In this work, the relevant noise sources in atom interferometers of Ramsey-Bordé
type were investigated, which are the noise of the excitation induced by the interroga-
tion and the noise of the detection of the excitation. In the first part of the work, the
methods for the considerable reduction of the frequency noise of the interrogation laser
in the low and in the high frequency range are described and demonstrated in the
experiment. The coupling of vibrations onto the reference cavity was analysed and a
novel mounting configuration for the reference cavity allowing to reduce the frequency
noise in the low frequency range was realized. This mounting reduces the sensitivity to
vibrations by two orders of magnitude in the vertical and one order of magnitude in the
horizontal direction compared to the previous support from below. Furthermore, the
reduction of the high-frequency laser frequency noise using the filtering through an
optical cavity is demonstrated and the influence of the high-frequency noise on the
frequency stability of an atom interferometer was studied.
In the second part of this work, the scheme for the detection of the quantum state of
the atoms was improved. The scheme allows now the quantum projection noise limited
6detection of 4·10 atoms. Atom-interferometric measurements were performed on
6ensembles of 4·10 ultracold calcium atoms at 20 µK using the improved interrogation
laser system and the improved detection scheme and the short-term stability of the atom
interferometer was characterized. From the observed signal-to-noise ratio a frequency
-15stability of the atom interferometer of σ (1 s) = 7·10 was determined for the cycle y
time of 50 ms. The achieved stability, which is now limited by the Dick effect, is one
order of magnitude above the quantum projection noise limit.


Keywords: Ramsey-Bordé atom interferometer, frequency stability of an atom inter-
ferometer, high stable lasers, quantum projection noise, Dick effect



List of Publications




C. Degenhardt, T. Nazarova, Ch. Lisdat, H. Stoehr, U. Sterr, and F. Riehle,
“Influence of chirped excitation pulses in an optical clock with ultracold calcium
atoms.” IEEE Trans. Instrum. Meas., 2005, 54, 771-775
C. Degenhardt, H. Stoehr, Ch. Lisdat, G. Wilpers, H. Schnatz, B. Lipphardt, T.
Nazarova, P.-E. Pottie, U.Sterr, J. Helmcke, and F. Riehle, “Calcium optical frequency
-15standard with ultracold atoms: Approaching 10 relative uncertainty.” Phys. Rev. A,
2005, 72, 062111-1-17
T. Nazarova, Ch. Lisdat, C. Degenhardt, H. Stoehr, Ch. Grain, P.-E. Pottie,
H. Schnatz, U. Sterr, and F. Riehle. “An optical clock with ultracold calcium atoms.”
Annales francaises des microtechniques et de chronometrie, 2005, 75, 65–69
T. Nazarova, F. Riehle, and U. Sterr, “Vibration-insensitive reference cavity for an
ultra-narrow-linewidth laser.” Appl. Phys. B, 2006, 83, 531-536
Ch. Grain, T. Nazarova, C. Degenhardt, F. Vogt, Ch. Lisdat, E. Tiemann, U. Sterr,
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F. Vogt, Ch. Grain, T. Nazarova, U. Sterr, F. Riehle, Ch. Lisdat, and E. Tiemann,
“Determination of the calcium ground state scattering length by photoassociation
spectroscopy at large detunings,” Eur. Phys. J. D, 2007, 44, 73-79.












Contents:

1. INTRODUCTION...........................................................................................................3
2. RAMSEY-BORDÉ ATOM INTERFEROMETRY.....................................................7
2.1. Theoretical outline ..............................................................................................................7
2.1.1. Atom-light interaction......................................................................................................7
2.1.2. 4-pulse atom interferometer .............................................................................................9
2.1.3. 3-pulse atom interferometer ...........................................................................................10
2.2. Atom interferometer as a frequency standard...............................................................11
2.2.1. Principles of a frequency standard .................................................................................11
2.2.2. Frequency stability of an atom interferometer13
2.2.3. State selective detection .................................................................................................13
2.3. Experimental realisation ..................................................................................................14
2.3.1. Calcium atom .................................................................................................................14
2.3.2. Experimental apparatus15
2.3.3. Cooling and trapping of calcium atoms .........................................................................16
2.3.4. Optimization of the cooling cycle ..................................................................................19
3. HIGHLY STABLE LASER SOURCE FOR ATOM INTERFEROMETRY .........21
3.1. Characterization of frequency noise ...............................................................................21
3.2. Laser setup.........................................................................................................................23
3.2.1. Extended cavity diode laser ...........................................................................................24
3.2.2. Frequency stabilization to a high-finesse cavity ............................................................24
3.2.3. Self-heterodyne technique..............................................................................................25
3.3. Vibration insensitive reference cavity.............................................................................27
3.3.1. Stability of the reference cavity .....................................................................................27
3.3.2. FEM Simulations ...........................................................................................................3