Dynamik kalter Atome in einem nichtresonant betriebenen optischen Ringresonator hoher Güte: Dämpfung und Modenunterdrückung

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Untersuchungen durchgeführt, die das Studium der Wechselwirkung von ultrakalten Atomen mit dem Lichtfeld eines Ringresonators hoher Güte zum Ziel hatten. Ein Ringresonator besitzt zwei Umlaufrichtungen, die voneinander entkoppelt sind und die unabhängige Photonenreservoirs darstellen. Die Kopplung kann durch Umstreuung von Photonen von der einen in die andere Richtung erfolgen. In dieser Arbeit wurden zwei wesentliche Umstreumechanismen untersucht: Umstreuung durch Atome und Spiegelstreuung. Dazu wurden ultrakalte Rb-Atome in den Strahlengang eines einseitig gepumpten Ringresonators mit einer sehr hohen Finesse von 150000 geladen. Die kollektive Wechselwirkung zwischen kalten Atomen mit dem Lichtfeld wird als Kollektiver Atomarer Rückstoßlaser (CARL) bezeichnet. Durch Überlagerung des Pumplichts und des umgestreuten Lichts entsteht ein Stehwellenpotential, das sich mit den Atomen in Pumprichtung bewegt. Die Kopplungsstärke hängt von der Verstimmung zur atomaren Resonanz ab. Ein weiterer Umstreumechanismus ergibt sich durch kleine Streuer (Verunreinigungen, Unebenheiten) auf den Spiegeln. Die Spiegelstreuung ist in Resonatoren hoher Finesse überhöht. Durch Überlagerung von Pumplicht und rückgestreuten Lichts bildet sich auch hier ein Stehwellenpotential aus. Dieses ist ortsfest und interferiert mit dem atomaren Stehwellenpotential zu einem Gesamtstehwellenpotential, das die Position und die Bewegung der Atome beeinflusst. Ist die Spiegelstreuung stärker als die Photonenstreuung durch die Atome, ergibt sich eine Dämpfung der atomaren Schwerpunktsbewegung in Abhängigkeit von der Resonatorverstimmung des eingekoppelten Pumplichts. Die Atome kommen dabei für rote Resonatorverstimmung im Minimum des Gesamtstehwellenpotentials zur Ruhe. Das Dämpfen der Schwerpunktsbewegung erzeugt bei Änderung der Resonatorverstimmung ein charakteristisches Lorentzprofil in der rückgestreuten Richtung, das mit zunehmender Stärke der atomaren Umstreuung abnimmt. Die maximale Unterdrückung der rückgestreuten Leistung ergibt sich, wenn beide Rückstreumechanismen dieselbe Stärke besitzen. Die Form des Profils ist asymmetrisch in den Flanken. Man beobachtet eine stärkere Leistungsabnahme oder Unterdrückung bei blauer Resonatorverstimmung. Für die praktische Umsetzung der Resonatorverstimmung wurde eine so genannte Zweimodenstabilisierung, unter Ausnutzung verschiedener transversaler Resonatormoden, aufgebaut. Die Asymmetrie ist eine indirekte Methode, um das Dämpfen der atomaren Schwerpunktsbewegung zu messen.

This work describes investigations studying the interaction of ultracold atoms with the light field of a high-Q ring cavity. An optical ring cavity has two counterpropagating modes with independent photon budgets. A coupling of the two modes can occur by scattering of photons from one mode to the reverse mode. In this thesis two coupling mechanism were investigated: scattering on ultracold atoms and mirror backscattering. For that ultracold Rb-atoms are placed in to the optical path of a side pumped high-Q ring cavity with a extremely high finesse of 150000. The collective interaction between cold atoms with the light field and atom momentum is known as the collective atomic recoil lasing (CARL). Superposition of the pump light and the scattering light in the reverse direction creates a standing wave potential that moves with the atoms in the pumping direction. The coupling strength depends on the detuning from the atomic resonance. Another scattering process results from small scatter (impurities, roughness) on the mirror surface. Due the amplification of the light the mirror backscattering is very strong in cavities with high finesse. Again a standing wave potential is created, due to superposition. Introducing atoms into the mode leads to interference between the atomic and mirro- backscattererd beams. The total standing wave potential affects the position and motion of the atoms.

If the mirror back scattering is stronger than the photon scattering, the atomic center-of-mass motion is damped. This kind of cavity cooling depends on the cavity detuning of the incoupled pump light. For red detuned light the atoms come to rest in the minimum of the total standing wave potential. The damping of atomic center-of-mass motion forms a characteristic Lorentzian profile in the reverse direction whose amplitude reduces with increasing atomic scattering. The maximum suppression of the backscattered power is achieved if the two mechanisms have the same strength. The shape of the profile shows a characteristic asymmetric form. For a blue detuned cavity, the light in the reverse mode is suppressed more strongly than for a red detuned cavity. For the practical implementation of detuning the pumplight relative to the cavity resonance a so-called two-mode-locking scheme has been developed by taking advantage of various transversal cavity modes. This asymmetry serves as an indirect method to measure the damping of the atomic mass center-of-mass motion.