Der Übergang von einer gekoppelten Darstellung zu einer anderen heißt Umkopplung, wie schon in Abschn. 3.2 erwähnt wurde. Verschieden gekoppelte Darstellungen gibt es erst bei mehr als zwei Drehimpulsen; erst dann kann umgekoppelt werden. Besonders viel gebraucht werden Umkopplungskoeffizienten für drei und vier Drehimpulse. Sie führen auf 6j- und 9j-Symbole.
Der Übergang von einer gekoppelten Darstellung zu einer anderen heißt Umkopplung, wie schon in Abschn. 3.2 erwähnt wurde. Verschieden gekoppelte Darstellungen gibt es erst bei mehr als zwei Drehimpulsen; erst dann kann umgekoppelt werden. Besonders viel gebraucht werden Umkopplungskoeffizienten für drei und vier Drehimpulse. Sie führen auf 6j- und 9j-Symbole.
Mit Gl. (4.13) wurde die Darstellungsmatrix für die Drehung eines Vektors mit den Ortskoordinaten (x, y, z) vorgestellt, und in den Beispielen 4.6 bis 4.8 sahen wir, daß sie auch auf Funktionen anwendbar ist. Im folgenden wollen wir die Rotationsmatrix für spezielle Funktionen, die Eigenfunktionen des Drehimpulses, |JM› mit M = −J, −J + 1,…, J herleiten. (J steht hier stellvertretend für eine Spin-, Bahn- oder Gesamtdrehimpulsquantenzahl.) Dabei wird der wichtige Zusammenhang zwischen der Drehung dieser Funktionen und dem Bahndrehimpulsoperator hergestellt [143].
Die Entwicklung kontinuierlich strahlender UV- und VUV-Laser ist ein aktives Forschungsfeld, da viele Anwendungen sowohl im industriellen Bereich wie auch im Grundlagenforschungsbereich von einer solchen Laserquelle profitieren können. Konventionelle Lasersysteme, basierend auf einer Besetzungsinversion in einem aktiven Medium kommen hier jedoch schnell an ihre Grenzen, da die für eine Besetzungsinversion notwendige Pumpleistung mit der Laserfrequenz ω^4 ansteigt. Auch Methoden wie die Frequenzverdopplung oder das vier-Wellen Mischen weisen Limitierungen bei der Erzeugung kurzer Wellenlängen auf. Ein als lasing without inversion (LWI) bekanntes Phänomen stellt einen gänzlich anderen Ansatz zur Erzeugung von cw-Laserstrahlung im UV-Bereich dar. Hierbei werden Quanteninterferenzeffekte ausgenutzt, um die Absorption kohärenter Strahlung auf dem Laserübergang zu unterdrücken. Dies hat zur Folge, dass schon wenige angeregte Atome genügen, um eine Verstärkung kohärenter Laserstrahlung hervorzurufen und somit keine Besetzungsinversion auf dem Laserübergang mehr notwendig ist. Obwohl LWI bereits erfolgreich in Experimenten umgesetzt wurde, gelang es bis jetzt nicht mit dieser Technik in den UV-Bereich vorzudringen. Den begrenzenden Faktor stellt die Dopplerverbreiterung im LWI-Medium dar, deren Einfluss zu kürzeren Wellenlängen hin stärker wird und den LWI-Effekt "auswischt". In dieser Arbeit wird ein atomares vier-Niveau LWI-System in Quecksilberdampf untersucht, in dem es möglich ist, die Dopplerverbreiterung durch eine geschickte geometrische Anordnung der Laserstrahlen zu kompensieren und somit das Potential bietet, erstmalig LWI im UV-Bereich bei einer Wellenlänge von 253,7 nm zu realisieren. Basierend auf den, durch ein detailliertes theoretisches Modell ermittelten Anforderungen, wurden hierfür drei Lasersysteme bei den Wellenlängen von 404,5 nm, 435,8 nm und 546,1 nm entwickelt. Da die Lasersysteme bei 435,8 nm und 546,1 nm für eine kohärente Anregung verwendet werden, müssen diese eine besonders schmale Linienbreite aufweisen. Im Zuge der Linienbreitenmessungen zeigte sich, dass sich die Linienbreite bei einer Frequenzverdopplung in einem Resonator mehr als verdoppeln kann. Überlagert werden die Strahlen in einer UHV-Zelle mit angeschlossenem Vakuumsystem. Ein temperaturgeregeltes Quecksilberreservoir ermöglicht es die atomare Dichte und damit auch die Absorption zu steuern. Mit den entwickelten Lasersystemen und einem auf Frequenzverdopplung basierenden 253,7 nm Laser war es möglich, erstmalig eine dopplerfreie, auf kohärenter Anregung basierende drei-Photonen Resonanz in einem vier-Niveau System in Quecksilber zu messen und detailliert zu untersuchen. Erste Messungen in einer Konfiguration für amplification without inversion zeigen, wie entscheidend die spektralen Eigenschaften der inkohärenten Pumpe im LWI-System sind und ermöglichen es, die für LWI in Quecksilber notwendigen Parameter abzuschätzen. Dabei zeigt sich, dass das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtsystem das Potential besitzt, erste Messungen von LWI im UV-Bereich zu ermöglichen.
ZusammenfassungDie im vorigen Kapitel diskutierte Bohrsche Theorie des Atoms kann zwar gewisse experimentelle Daten in überzeugender Weise beschreiben, bei zahlreichen anderen Daten versagt sie jedoch. Sie sagt zwar die Spektralserien von Wasserstoff, dessen Isotopen und wasserstoffähnlichen Atomen richtig vorher, doch kann sie nicht auf die Spektren komplexer Atome mit zwei oder mehr Elektronen ausgedehnt werden. Sie gibt keinen Grund an, warum gewisse Spektrallinien intensiver als andere sind, warum gewisse Übergänge zwischen Energieniveaus mit größerer Wahrscheinlichkeit vorkommen als andere, und sie kann auch nicht erklären, warum viele Spektrallinien tatsächlich aus einzelnen Linien bestehen, deren Wellenlängen sich geringfügig unterscheiden. Und, was am wichtigsten ist, sie liefert uns kein Verständnis, wie einzelne Atome miteinander wechselwirken und bei makroskopischen Systeme zu den beobachteten physikalischen und chemischen Eigenschaften der Materie führen.
Atominterferometrie mit Erdalkalimetallen wird trotz der enormen Möglichkeiten der Laserkühlung noch immer durch die Bewegung der Atome begrenzt.Im Rahmen dieser Arbeit wurden deshalb zwei neue Kühlverfahren entwickelt und untersucht, die die Temperatur von Calciumatomen in einer bzw.drei Dimensionen um mehr als zwei Größenordnungen unter die bisherige Grenze, das Dopplerlimit auf dem Übergang 1 S 0 -1 P 1 (T D ≈1 mK), reduzieren.Beide nutzen die hohe Geschwindigkeitsselektivität der schmalen Interkombinationslinie 1 S 0 -3 P 1 zur Nachkühlung eines in einer konventionellen magneto-optischen Falle (MOT) gekühlten Ensembles von Calciumatomen.Bei dem von uns " Maxwells-Dämon-Kühlung" [1] genannten Verfahren werden aus dem vorgekühlten Ensemble in einer Dimension die langsamsten Atome durch Selektionspulse auf dem Interkombinationsübergang ausgewählt.Die gewünschte Geschwindigkeitsbreite kann dabei durch die Dauer der Selektionspulse und die mittlere Geschwindigkeit durch die Verstimmung zur Resonanz eingestellt werden.Um langsame Atome zu akkumulieren, werden die selektierten Atome optisch in die magnetischen Unterzustände des 3 P 1 -Zustands gepumpt, die Grundzustandsgeschwindigkeitsverteilung durch eine sogenannte optische Melasse auf dem Kühlübergang 1 S 0 -1 P 1 rethermalisiert und das ganze Schema mehrfach wiederholt.Die erreichten Geschwindigkeitsverteilungen mit v rms ≈ 4 cm/s in einer Dimension sind durch die spontanen Zerfälle beim Umpumpen limitiert.Der Einsatz der so gekühlten Atome in einem Ramsey-Bordé-Atominterferometer, das Laserstrahlen als Strahlteiler verwendet, führt zu einem deutlich höheren Kontrast der Interferenzsignale .In einem einfachen Interferometer im Zeitbereich mit drei Strahlteilerpulsen aus einer Richtung konnte der Kontrast von 30 % auf etwa 50 % gesteigert werden.Der Kontrast wird bei den kleinen Geschwindigkeitsbreiten in Richtung der Strahlteilerpulse nicht mehr durch deren Fourierbreite begrenzt, sondern dadurch, dass die Atome senkrecht zum Laserstrahl aus dem Wechselwirkungsbereich laufen.Um auch diese Bewegung zu reduzieren, die insbesondere zu unerwünschten Phasenverschiebungen bei der Atominterferometrie führt und so z.B. die Unsicherheit von Frequenznormalen erhöht, wurde ein dreidimensionales Kühlverfahren entwickelt.Bei der sogenannten " Quench-Kühlung" [2] wird eine MOT auf dem Interkombinationsübergang genutzt, deren Dopplerlimit wegen der kleinen Linienbreite weit unter dem Rückstoßlimit liegt.Um die daraus folgende kleine Kraft zu erhöhen, wurde die Lebensdauer des angeregten Zustandes durch einen Rückpumplaser verkürzt.Durch dieses "Quenchen" wird die effektive Streurate auf dem Interkombinationsübergang so weit erhöht, dass ein Einfang der vorgekühlten Atome gegen die Gravitation möglich wird.Schon nach wenigen Millisekunden Kühlung werden, bei einer Umladeeffizienz von mehr als 10 %, Geschwindigkeitsverteilungen mit v rms ≈ 5 cm/s erreicht, die nur wenigen Rückstößen der beteiligten Photonen entsprechen.Erste Kamerabilder der ultrakalten Atomwolke zeigen, dass diese etwa die gleiche Ausdehnung wie die der vorgekühlten Atome hat.Damit wird insgesamt eine Zunahme der Phasenraumdichte um mehr als zwei Größenordnungen abgeschätzt.Die Möglichkeit, auf sehr schmalen Linien zu kühlen, wird für die bisher nicht in den Mikrokelvin -Bereich kühlbaren Erdalkalielemente Ca und Mg viele neue experimentelle Perspektiven eröffnen.