Photonische Eigenschaften eines eindimensionalen geordneten atomaren Mediums

Abstract

Im Rahmen dieser Dissertation wurden photonische Eigenschaften einer periodisch geordneten Wolke aus ultrakaltem Rubidium untersucht. Basierend auf Erfahrungen aus früheren Experimenten wurde hierzu eine komplett neue experimentelle Anlage entwickelt und aufgebaut. Damit wurden drei Experimente realisiert.

In der ersten Messung wird die Atomwolke mit einem schwachen Test-Laserstrahl beleuchtet. Dabei wurde eine hohe Bragg-Reflexion von über 80% erreicht. Durch Verkleinerung des Einfallswinkels des Test-Strahls auf 2 Grad und dadurch verbundenes Erreichen des Mehrfachstreuregimes konnten wir erstmals die Existenz einer photonischen Bandlücke in kalten geordneten Gasen nachweisen. Um die Verluste zu minimieren und damit noch höhere Reflexionswerte zu erreichen, wurde das System mit Hilfe von elektromagnetisch induzierter Transparenz (EIT) in der Nähe der atomaren Resonanz untersucht. Dabei wurde neben der Bandlücke aus dem ersten Experiment eine neue Bandlücke gefunden und charakterisiert. Außerdem präsentieren wir einen optischen Schalter als eine Anwendungsmöglichkeit.

Im dritten Teil der Untersuchungen haben wir unser System aus kalten geordneten Atomen mit einem nahresonanten Laserstrahl gepumpt, wodurch Verstärkung erreicht wurde. Dabei wurden zwei mögliche Verstärkungsmechanismen erforscht. Das Zusammenspiel zwischen der positiven Rückkopplung (mehrfache Bragg-Reflexion) und Verstärkung (Vier-Wellen-Mischung) führte schlussendlich zur Demonstration des weltweit ersten Lasers bestehend nur aus kalten Atomen.

This thesis describes the photonic properties of a one-dimensional, periodically-ordered atomic vapour of rubidium. Building on previous experiments, we have developed and set up a completely new experimental system. Three experiments were performed. In the first part we probe an ordered atomic cloud with a weak probe-beam whose angle of incidence is only 2 degrees. Because of a good overlap between the probe beam and the atomic cloud, and due to multiple scattering regimes, we reached a high Bragg-reflectivity of 80% and proved the existence of a photonic band gap in 1-D systems. In order to minimize the losses we investigate our system in the vicinity of the atomic resonance with electromagnetically-induced transparency. A new band gap was discovered and characterized. Furthermore, we present a possible application as an all optical switch. In the last part we pump our system with near resonant light and achieve gain. We investigate two possible amplification mechanisms (Raman-gain and four-wave mixing). As a result of the interplay between a positive feedback (multiple Bragg-reflection) and gain (FWM) we demonstrate the first laser consisting only of cold atoms.