�ber eine Methode zur Beobachtung sehr kleiner Stark-Effekte

W. Lochte‐Holtgreven

Erik Gustafson

Hans Reichenbach

O. Jennrich

Strahlungsdruckrauschen, thermisches Rauschen, Standard Quanten Limit der Interferometrie In modernen Experimenten zum interferometrischen Nachweis von Gravitationswellen ist die Frage nach den grundlegenden Grenzen einer interferometrischen La ¨ngenbestimmung von sehr großer Bedeutung.Die Ursache dieser Begrenzung ist zum einen das thermische Rauschen der optischen Komponenten im Interferometer, welches fu ¨r den Fall sehr kleiner Temperaturen gegen das durch die HEISENBERGsche Unscha ¨rferelation gegebene Quantenrauschen geht.Eine weitere Grenze wird durch die Effekte der Photonenstatistik gegeben.Diese erzeugt einerseits durch das Rauschen des Nachweisprozesses eine scheinbare La ¨ngena ¨nderung des Interferometers, andererseits u ¨bertra ¨gt sich die Photonenstatistik des Lichts durch den Impulsu ¨bertrag auf das Positionsrauschen der Spiegel.Da diese beiden Rauschprozesse in verschiedener Art von der Lichtleistung im Interferometer abha ¨ngen, existiert eine optimale Leistung fu ¨r den Betrieb eines Interferometers.Dabei muß die Korrelation der beiden Rauschprozesse, die durch die Bewegung des Spiegels hervorgerufen wird, beru ¨cksichtigt werden.Zur theoretischen Betrachtung des Problems wurde eine alternative Formulierung des Standard Quanten Limits verwendet, die es erlaubt, die Orts-und Impulsunscha ¨rfen der optischen Komponenten spektral aufgelo ¨st darzustellen.Im experimentellen Teil dieser Arbeit wurde ein Experiment zur Untersuchung des Strahlungsdruckrauschens und des thermischen Rauschens konzipiert und aufgebaut.Zentraler Bestandteil des Experimentes ist ein FABRY-PEROT-Resonator hoher Finesse, der aus zwei monolithisch aufgeha ¨ngten Spiegeln besteht.Zur seismischen Isolation sind die Spiegel an einem System von Mehrfachpendeln und seismischen Vorisolatoren befestigt.Der Nachweis der La ¨ngena ¨nderung des Resonators erfolgte u ¨ber das POUND-DREVER-HALL-Verfahren.MIt Hilfe eines Simulationsprogrammes wurden die Parameter des Resonators, der Spiegel und der Aufha ¨ngung bezu ¨glich der Empfindlichkeit des Experimentes auf Strahi B. POUND-DREVER

T. Altevogt

Bei der theoretischen Beschreibung von spektroskopischen Experimenten wird in der Regel das Materiesystem quantenmechanisch beschrieben, während das Strahlungsfeld klassisch behandelt wird. Diese semiklassische Näherung ist zur Beschreibung von Experimenten, bei denen eine starke Kopplung zwischen dem Matriesystem und einzelnen Photonen besteht, nicht mehr gültig. Dies kann beispielsweise innerhalb eines optischen Resonators der Fall sein. In dieser Arbeit wird am Beispiel eines Pump-Test- Experiments zum Nachweis des optischen Stark-Effekts untersucht, welche zusätzlichen Effekte sich bei einer quantisierten Beschreibung des Strahlungsfeldes ergeben. Ein signifikanter Effekt ist, dass die Photonenstatistik des Pumpfeldes sich in der Linienform der verschobenen Resonanzlinie widerspiegelt. Weiter wurde in dieser Arbeit bei kleiner Pumpverstimmung ein Verstärkungseffekt gefunden, der ebenfalls auf der quantisierten Behandlung des Strahlungsfeldes beruht (nichtklassische Verstärkung). Es treten ferner bei grosseren Ensemblen von Zwei-Niveau -Systemen zusätzliche Unterstrukturen und Resonanzen auf. Auch kann der Nachweis des optischen Stark-Effekts Aufschluss über die Nichtdiagonalelemente bezüglich der Photonenzahl des quantisierten Pumpfeldes geben.Im Hinblick auf die Beschreibung komplexer Materiesystemen wurde in dieser Arbeit auch eine näherungsweise Berechnung der Testabsorption mit quantisiertem Strahlungsfeld im Rahmen einer Dichtematrixtheorie untersucht. Insbesondere war hier für die quantitative Beschreibung der nichtklassischen Verstärkung eine Berücksichtigung hoherer Korrelationen zwingend erforderlich. Auch wurden näherungsweise Entkopp- lungen unter Berücksichtigung der Erhaltungsgrossen durch- geführt. Die Dichtematrixtheorie wurde auf die Untersuchung des optischen Stark-Effektes an storstellengebundenen Exzitonen in Halbleitern angewandt. Da diese Resonanzen vergleichsweise kleine homogene und inhomogene Linienbreiten aufweisen,ist hier experimentell zu erwarten, dass sich feine Effekte des quantisierten Pumpfeldes bemerkbar machen konnen.

Frithjof Karstensen