Selbstorganisation und Laseremission in kalten atomaren Ensembles

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal ein Collective Atomic Recoil Laser (CARL) zweifelsfrei experimentell realisiert. Zu diesem Zweck wurde ein Experiment aufgebaut, das es ermöglicht, ultrakalte Rubidiumatome in einer Dipolfalle zu fangen, die von dem Lichtfeld im Inneren eines einseitig gepumpten optischen Hochfinesse-Ringresonators gebildet wird. Der CARL äußert sich im Auftreten eines frequenzverschobenen rückgestreuten Lichtfelds. Zusätzlich zu diesem Feld werden die atomare Orts- und Geschwindigkeitsverteilung gemessen. Numerische Simulationen stimmen sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.

Ursprünglich wurde CARL als transienter Prozess formuliert. Mittels der Überlagerung der Dipolfalle mit einer optischen Melasse wird eine neuartige Methode erfolgreich eingesetzt, um die kinetische Energie zu dissipieren, die die Atome während des CARL-Prozesses gewinnen. Auf diese Weise wird ein stationärer CARL realisiert.

Die experimentellen Ergebnisse werden im Rahmen der klassischen Physik beschrieben und interpretiert. Die Atome werden dabei als polarisierbare Teilchen betrachtet. Sie modifizieren die Lichtfelder aufgrund von kohärenter Rayleigh-Streuung. CARL ist ein kollektiver Effekt. Die Erzeugung des rückwärts gerichteten Laserlichts lässt sich auf kollektive kohärente Rayleigh-Streuung - auch Bragg-Streuung genannt - an einer periodischen atomaren Dichtemodulation zurückführen. Aufgrund der Impulserhaltung geht mit der Rückstreuung eine Kraft auf die Atome und damit eine Beschleunigung des atomaren Gitters einher. Das Erreichen eines stationären Zustands erfordert deshalb eine entgegen gerichtete Kraft. Diese ist durch die Stokessche Reibung der Melasse gegeben.

Das Bedeutsame an CARL ist der Prozess der Selbstorganisation, in dessen Verlauf die anfänglich annähernd homogene räumliche Verteilung der Atome eine Gitteranordnung einnimmt. Ursache der Selbstorganisation ist die positive Rückkopplung des Systems: Ein kontrastreicheres atomares Gitter führt zu stärkerer Bragg-Streuung und umgekehrt verstärkt das mit der Bragg-Streuung einhergehende Stehwellenpotenzial das atomare Gitter. Das Einsetzen dieses Selbstverstärkungsprozesses stellt hohe Anforderungen an die experimentellen Parameter. Numerische Simulationen zeigen jedoch, dass sich die Anforderungen durch die Einführung einer dissipativen Kraft für die atomare Bewegung lockern lassen. Dieses bestätigt sich im Experiment, in dem der Prozess der Selbstorganisation durch die Überlagerung der optischen Melasse spontan in Gang gesetzt wird.

Besondere Beachtung findet die Rückstreuung an den Resonatorspiegeln. Es wird gezeigt, dass diese Streuung gerade in Hochfinesse-Ringresonatoren - obwohl deren Spiegel sehr geringe Streukoeffizienten besitzen - eine beträchtliche Kopplung zwischen den beiden gegensinnig umlaufenden Lichtfeldern bewirkt. Sie beeinträchtigt den CARL-Prozess und kann ihn im Extremfall sogar verhindern. Durch ihre Berücksichtigung in den Simulationen kann die ohnehin gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten noch gesteigert werden.

Die Beeinflussung von Spiegelrückstreuung und atomarer Dynamik ist gegenseitig. Während des Beladens der Dipolfalle mit Atomen bricht die rückgestreute Intensität ein. Dieser Effekt lässt sich - genau wie CARL - auf Bragg-Streuung an einem atomaren Dichtegitter zurückführen. In diesem Zusammenhang wird ein theoretisches Modell entwickelt, dass auf der Zerlegung des Dipolpotenzials basiert. Mit Hilfe dieses Modells werden neben der Spiegelrückstreuung auch weitere Effekte wie das bistabile Verhalten, das bei beidseitiger Einkopplung in den Ringresonator auftritt, anschaulich erklärt.

In the present work the first unambiguous experimental proof of an effect known as the collective atomic recoil laser (CARL) is given. For that purpose an experiment has been set up which allows for trapping ultracold Rubidium atoms in a dipole trap given by the light field inside a one-sided pumped high-finesse optical ring cavity. As the signature of CARL a frequency-shifted backscattered light field is observed. Additionally, the atomic position and velocity distribution are measured. Numerical simulations are in very good agreement with the experimental results.

CARL has originally been formulated as a transient process. By superimposing the dipole trap with an optical molasses a new method is successfully implemented to dissipate the kinetic energy which the atoms gain in the CARL process. Thus a stationary CARL is realised.

The experiments are theoretically described and interpreted in the framework of classical physics. The atoms are modelled as polarizable point particles. They modify the light field by coherent Rayleigh scattering. CARL is a collective effect. The backscattered light field originates from collective coherent Rayleigh scattering – also called Bragg scattering – off a periodic atomic density modulation. Because of momentum conservation this scattering process is connected with a force acting on the atoms and therefore with an acceleration of the density modulation. To achieve a steady state a counterbalancing force is necessary. This force is given by the viscous dissipation inside the optical molasses.

The most essential characteristic of CARL is the process of self-organisation in which, starting from a basically homogeneous density distribution, an atomic density grating builds up. The reason for this process is the positive feedback of the system: On one hand a steeper density grating backscatters more photons and on the other hand the additionally backscattered photons increase the standing wave dipole potential and therefore the organizing force on the atoms. The onset of this self-organisation process makes high demands on the experimental parameters. However numerical simulations show that these demands are reduced if a dissipation mechanism for the kinetic energy is introduced. This is experimentally confirmed by the immediate occurrence of the self-organisation process as soon as the optical molasses is superimposed.

Special attention is given to the backscattering off the cavity mirrors. It is shown that especially in high finesse cavities – though their mirrors have very low scattering coefficients - this scattering leads to a strong coupling between the two counterpropagating light fields. This coupling affects the CARL process. By considering it in the numerical simulations the good agreement with the experimental results can be further improved.

Backscattering off the mirrors and atomic dynamics affect each other on both sides. During the loading of the dipole trap the backscattered intensity decreases. As in the case of CARL this effect can be attributed to Bragg scattering off the atomic density grating. In this context a theoretical model is developed which is based on the decomposition of the dipole potential. Within this model in addition to mirror scattering other effects like bistable behaviour, which occurs in the case of pumping the cavity from both sides, are explained.