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Köhl, Michael Karl (2001): Kohaerente Atomoptik mit dem Atomlaser. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die vorliegende Arbeit berichtet ueber die ersten atomoptischen Experimente mit Atomlaserstrahlen. Die Atomlaserstrahlen werden aus Bose-Einstein-Kondensaten, die aus 87Rb- Atomen bestehen, extrahiert und propagieren ballistisch im Gravitationsfeld. Mit Hilfe von Hyperfein-Ramanuebergaengen in einem externen inhomogenen Magnetfeld wird ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator fuer den Atomlaser realisiert. Die Oberflaeche des Spiegels ist durch eine Resonanzbedingung definiert, die von der Differenz der Frequenzen der Ramanlaser und der lokalen Magnetfeldstaerke abh¨angt. Die Reflektion findet an Flaechen konstanten Magnetfeldes statt und somit kann eine extrem glatte Spiegelflaeche realisiert werden. Die Impulsverbreiterung des Atomlaserstrahls bei der Reflektion betraegt weniger als 1/30 eines Photonenr¨uckstoßes und die Reflektivitaet des Materiewellenspiegels liegt bei ¨uber 98%. Mit dem neuen Materiewellenspiegel wird die zeitliche Kohaerenz von Atomlaserstrahlen untersucht. Durch die Retroreflektion des Atomlaserstrahls an dem Spiegel erzielt man eine Ueberlagerung des einlaufenden und des reflektierten Anteils der Welle. Die Verz¨ogerungszeit zwischen den interferierenden Anteilen haengt von der Entfernung des Beobachtungsortes zur Spiegeloberflaeche ab. Das resultierende Interferenzmuster dieser stehenden Materiewelle wird mit einem neuartigen Magnetresonanzverfahren detektiert, das eine raeumlichen Aufl¨osung von 65 nm ermoeglicht. Der gemessene Kontrast ist ein Maß fuer die Kohaerenzzeit bzw. die Energiebreite des Atomlaserstrahls. Die Messung zeigt, daß die Energiebreite des Atomlaserstrahls mit zunehmender zeitlicher Dauer der Auskopplung abnimmt und Fourier-begrenzt durch die Auskopplungsdauer ist. Außerdem setzt die Messung eine Untergrenze fuer die Phasendiffusionszeit des Bose-Einstein-Kondensats. Waehrend des Auskopplungsprozesses des Atomlaserstrahls aus dem Bose-Einstein- Kondensat streuen die Atome an dem repulsiven Potential des in der Falle verbleibenden Bose-Einstein-Kondensats. Dieser Streuvorgang wird sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Um die resultierenden transversalen Strukturen im Atomlaserstrahl sichtbar zu machen, wird ein neues Verfahren zur Impulsvergroeßerung eingesetzt: der Materiewellenspiegel wird in einer Hohlspiegelkonfiguration verwendet, die den Strahl aufweitet und eine Impulsaufl¨osung von 1/100 eines Photonenr¨ucktoßes ermoeglicht. Damit tritt die theoretisch erwartete Aufspaltung des Strahls deutlich hervor. Neben den Eigenschaften der Atomlaserstrahlen wird auch die Kinetik des Wachstumsprozesses von Bose-Einstein-Kondensaten beim Durchqueren des Phasenuebergangs untersucht. DasWachstum von Bose-Einstein-Kondensaten besitzt in Bezug auf den Atomlaser die gleiche Bedeutung wie das Pumpen des Verstaerkungsmediums im optischen Laser. Fuer eine quantitative Untersuchung wird eine thermische Atomwolke oberhalb der kritischen Temperatur pr¨apariert und dann kontrolliert in das quantenentartete Regime gekuehlt. Das Wachstum des Kondensats startet nach dem Beginn des Kuehlens erst mit Verz¨ogerung, und diese Verz¨ogerungszeit wird erstmals gemessen. Fuer schwaches Kuehlen durch den Phasenuebergang beobachtet man einen zweistufigenWachstumsprozeß der Kondensatatomzahl, was moeglicherweise auf Phasenfluktuationen im Entstehungsprozeß hindeutet.