Untersuchungen zum kollektiven atomaren Rückstoß-Laser

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen zum kollektiven atomaren Rückstoß-Laser (CARL) durchgeführt. Für das Experiment wurden kalte Rb-Atome in dem Lichtfeld eines einseitig gepumpten Hochfinesse Ringresonators gefangen und zusätzlich einer optischen Melasse ausgesetzt, die als Reibungskraft auf die Atome wirkt. Für bestimmte Parameterbereiche konnte Laseraktivität in der ungepumpten Mode aufgrund des CARL-Prozesses nachgewiesen werden. Es zeigte sich ein eindeutiges Schwellenverhalten wenn die Pumpleistung verändert wurde. Die Laserschwelle des CARL wurde in Abhängigkeit von der Verstimmung des Fallenlasers und der Atomzahl bestimmt. Außerdem wurden die gewonnenen Messwerte mit den theoretischen Vorhersagen eines eindimensionalen Modells verglichen, wobei eine gute Übereinstimmung festgestellt werden konnte. Des Weiteren wurde die Bragg-Streuung am atomaren Gitter im Ringresonator untersucht. Dazu wurde ein Bragg-Interferometer aufgebaut, mit dem die Phase des Streuprozesses gemessen werden konnte. Im beidseitig gepumpten Ringresonator wurden am atomaren Gitter Messungen zur Rayleigh-Streuung durchgeführt, womit es erstmals gelang, die Phase dieses Streuprozesses direkt zu messen. Außerdem konnte so die Geschwindigkeit eines bewegten atomaren Gitters bestimmt werden. Das durch den CARL-Prozess erzeugte atomare Dichtegitter konnte nicht nachgewiesen werden, da die von den Atomen reflektierte Lichtleistung in diesem Falle sehr gering ist.

In this thesis the dynamics of the Collective Atomic Recoil Laser (CARL) was investigated. For the experiment cold Rb atoms were trapped in the far detuned light field of a unidirectionally pumped high-Q ring cavity. Additionally, an optical molasses was used to apply a friction force to the atoms. For certain parameter ranges, laser action in the counterpropagating mode could be observed due to the CARL process. A clear signature for a threshold was observed when varying the pump power. The dependence of the CARL laser threshold was studied as a function of two variables, atom number and detuning of the pump field. The measured data shows good agreement with a one-dimensional theoretical model. Furthermore, Bragg-scattering at the atomic density grating inside the ring cavity was studied. A Bragg interferometer was set up to measure the phase information of the scattering process. Experiments on the symmetrical pumped cavity were performed and the first measurement of the phase shift due to Rayleigh-scattering was observed. Besides that, the velocity of a moving density grating was determined. The density grating generated by the CARL process could not be observed due to the small power in the Bragg-reflected light beam.