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.
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.
Das Verhalten von kalten (15 µK) Calcium-Atomen in einer geeigneten optischen Dipolfalle wurde untersucht.Prozesse, die die Phasenraumdichte des in der Dipolfalle gespeicherten Calcium-Ensembles begrenzen, wurden identifiziert und untersucht.Zusammen mit der experimentell bestimmten Grundzustands-Streulänge wurden die Aussichten für die Realisierung eines Calcium Bose-Einstein-Kondensats erörtert.Die Dipolfalle wurde so konzipiert, dass ihr Betrieb mit der Laserkühlung auf dem schmalen Interkombinationsübergang 4s 2 1 S 0 → 4s4p 3 P 1 bei 657 nm verträglich ist.Atome, die in einer auf dem Interkombinationsübergang operierenden magneto-optischen Falle gekühlt und gespeichert werden, können nur begrenzt in die Dipolfalle transferiert werden, da das 657 nm Laserlicht zur Photoassoziation von Ca 2 -Molekülen führt, die aus der Dipolfalle verloren gehen.Die entsprechende Zweikörper-Verlustrate konnte zusammen mit der Einfangrate der Dipolfalle und den Verlustraten der magneto-optischen Falle in einem Modell erfaßt werden, das die Ladedynamik der Dipolfalle beschreibt.Eine maximale Steigerung der Phasenraumdichte des Calcium-Ensembles auf 0.045 konnte im Kreuzungsbereich zweier Dipolfallen erreicht werden.Der Transfer von Atomen aus einer Einzelfalle in den Kreuzungsbereich beider Fallen wird durch elastische Stöße hervorgerufen.Die Teilchenzahl im Kreuzungsbereich wird durch inelastische Dreikörper-Stöße begrenzt, deren Rate jedoch mehr als eine Größenordnung kleiner ist als die elastische Stoßrate.Die Ladedynamik des Kreuzungsbereichs wird durch ein Modell beschrieben, das die verschiedenen Raten berücksichtigt.Die Grundzustands-Streulänge wurde durch Photoassoziations-Spektroskopie unterhalb der 4s 2 1 S 0 + 4s4p 1 P 1 Asymptote bestimmt.Im Vergleich zu früheren Messungen erlaubten verbesserte experimentelle Bedingungen einen größeren Bereich von Kernabständen zu erfassen.Die damit verbundenen genaueren Messungen liefern nun einen Bereich der Streulänge zwischen 340a 0 und 700a 0 und lösen damit die Diskrepanz zwischen den Ergebnissen früherer Messungen.Als Ergebnis der Untersuchungen ist es nun möglich den experimentell aussichtsreichsten Weg für die Erzeugung eines Calcium Bose-Einstein-Kondensats aufzuzeigen, das zahlreiche neue und faszinierende Forschungsmöglichkeiten bietet.
Ultrakalte Gase dienen seit den Achtzigerjahren der Erforschung neuartiger physikalischer Phänomene, in deren Rahmen zum Beispiel erstmals die Realisierung atomarer Bose-Einstein-Kondensate sowie die quantenentarteter Fermi-Gase gelang. Anfangs konnten diese Zustände ausschließlich mit Alkaliatomen erreicht werden. Erst im vergangenen Jahrzehnt gelang es auch Atome mit komplexerer innerer Struktur zu kondensieren, die teilweise einen von Null verschiedenen elektronischen Bahndrehimpuls im Grundzustand aufweisen, wie etwa die Lanthanoide Erbium und Dysprosium. Ultrakalte Gase aus solchen Atomen lassen sich auf neue Art und Weise mit Laserlicht fern verstimmter Frequenz manipulieren. Weiterhin weisen sie einen starken dipolaren Charakter auf, welcher die Wechselwirkungen im ultrakalten Gas dominiert und damit zu neuen Wechselwirkungsphänomenen führt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig eine Bose-Einstein-Kondensat von Erbiumatomen im Potential einer extrem weit von den atomaren Resonanzen verstimmten quasi-elektrostatischen Dipolfalle erzeugt. Zentraler Teil dieser Arbeit war die Realisierung eines effizienten Umladeprozesses aus der magnetooptischen Falle in die quasi-elektrostatischen Dipolfalle, in welcher eine weitere evaporative Kühlung des Bose-Gases bis in den Bereich der Quantenentartung erfolgte. Da sich das Bose-Einstein-Kondensat nur in sehr reinen Ultrahochvakuumatmosphären beobachten lässt, wurde in einem ersten Schritt ein Vakuumsystem konstruiert und aufgebaut, welches aus einer Effusionszelle, einem Zeeman-Kühler und einer Hauptkammer besteht. Mit Hilfe der Effusionszelle wird ein Atomstrahl produziert und nach deren Verlassen, mit Hilfe des Kühlübergangs bei 400,91 nm transversal gekühlt und kollimiert. Longitudinal wird der Atomstrahl mit Hilfe eines Zeeman- Kühlers abgebremst, der ebenfalls den Kühlübergang bei 400,91 nm nutzt. Aus dem Atomstrahl wird eine magnetooptische Falle geladen, die mit Licht der Wellenlänge 582,84 nm betrieben wird. Die in der magnetooptischen Falle gefangenen Atome werden zur weiteren Abkühlung in ein quasi-elektrostatisches Dipolfallenpotential umgeladen, welches durch den fokussierten Laserstrahl eines CO2 -Lasers der Wellen- länge 10,6 μm gebildet wird. Mit Hilfe der darauf folgenden Evaporationsphase konnte die Phasenraumdichte über den kritischen Wert für den Phasenübergang erhöht und die Herausbildung eines Bose-Einstein-Kondensats aus Erbiumatomen beobachtet werden. Das Bose-Einstein-Kondensat beinhaltet etwa 3 · 10^4 Erbiumatome und hat eine Lebensdauer von etwa 8 s. Eine Perspektive der hier gewonnenen Ergebnisse ist die Erzeugung neuartiger Quantenzustände von Materie, sowie zum Beispiel die Untersuchung des fraktionalen Quanten-Hall-Effekts in extrem starken künstlichen Magnetfeldern induziert durch weit verstimmte optische Raman-Lichtfelder.
Die Kühlung neutraler Atome mit Hilfe von Laserlicht hat sich als wichtige experimentelle Technik in der Atom-und Quantenoptik etabliert.Mit dem Verfahren der Polarisationsgradientenkühlung werden Atome auf Temperaturen von wenigen Mikrokelvin, weit unterhalb des Dopplerlimits, gekühlt.Die vorliegende Arbeit befaßt sich systematisch mit zentralen Fragen zur Polarisationsgradientenkühlung in zwei Dimensionen und in Anwesenheit magnetischer und optischer Potentiale.Vor allem für neue Anwendungen der Laserkühlung neutraler Atome in Magnet-und Dipolfallen ist die hier untersuchte Thematik von grundlegender Bedeutung.Die Erweiterung der Polarisationsgradientenkühlung auf zwei Dimensionen ist nicht trivial.Das im allgemeinen aus drei oder vier Laserstrahlen erzeugte Polarisationsgradientenfeld besitzt keine Rotationssymmetrie.Dadurch kommt es zu einer Richtungsabhängigkeit der Laserkühlung.Im Rahmen dieser Arbeit konnten theoretisch vorhergesagte, charakteristische Impulsverteilungen der höherdimensionalen Laserkühlung mit einer Auflösung unterhalb der Photonenrückstoßgeschwindigkeit experimentell nachgewiesen werden.Dazu wurde die Dynamik der transversalen Kühlung eines langsamen Atomstrahls untersucht.Die theoretisch berechnete Zeitevolution der atomaren Geschwindigkeitsverteilung konnte qualitativ bestätigt werden.Das Polarisationsgradientenkühlen in Anwesenheit eines zusätzlichen Dipolpotentials ist im Hinblick auf die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten mit rein optischen Verfahren wichtig.Hier wurde detailliert die zweidimensionale Kühlung eines atomaren Ensembles untersucht, das im starken Dipolpotential eines blau frequenzverstimmten Laguerre-Gauß Modes erster Ordnung (TEM * 01 ) eingeschlossen ist.Je nach Potentialstärke wurden bis zu achtzig Prozent der Atome auf sub-Dopplertemperatur gekühlt.Es zeigte sich, daß die Kühlung an Effizienz verliert, sobald der light shift des Fallenpotentials mit der Niveauverschiebung durch die optische Melasse vergleichbar ist.Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit Vorhersagen einer Quanten-Monte-Carlo Simulation, die in Zusammenarbeit mit einer niederländischen Forschungsgruppe entwickelt wurde.Ein homogenes statisches Magnetfeld kann die Dynamik der atomaren Bewegung in einem Polarisationsgradientenfeld entscheidend beeinflussen.Durch die Raman-Kopplung von Zeeman-Niveaus im bewegten Bezugssystem werden Teile des Ensembles auf verschiedene diskrete Geschwindigkeiten sub-Dopplergekühlt.Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden erstmals Geschwindigkeitsselektive Resonanzen in zweidimensionalen Polarisationsgradientenfeldern untersucht.Durch die Kombination von optischer Melasse und statischen Magnetfeldern konnten atomare Gitterstrukturen im Impulsraum erzeugt werden.Die Verwendung dieses Kühlschemas gestattet es, die Dichteverteilung von Atomstrahlen gezielt zu strukturieren.Die Interpretation der Ergebnisse in der semiklassischen Näherung ergibt exzellente Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment.
Angetrieben durch die vielfältigen Möglichkeiten, welche interferometrische Messmethoden mit Materiewellen für die physikalische Forschung bieten, hat die Atominterferometrie einen wichtigen Platz in der Forschung mit ultrakalten Atomen eingenommen. So erlauben es Atominterferometer bereits, z. B. die Erdbeschleunigung, Rotationen oder die Feinstrukturkonstante mit hoher Präzision zu messen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Kohärenz von Bose-Einstein-Kondensaten in Dipolpotentialen für atomoptische Elemente bzw. für Anwendungen in der Atominterferometrie. Als Werkzeug dient dabei ein Bragg-Gitter, mit dessen Hilfe interferometrische Messungen zur Charakterisierung der Kohärenz des Bose-Einstein-Kondensats durchgeführt wurden. Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der erstmaligen Verwendung der konischen Refraktion zur Erzeugung eines ringförmigen Potentials zur Führung und Speicherung von Bose-Einstein-Kondensaten. In der Fokalebene der konischen Refraktion entsteht eine ringförmige Intensitätsverteilung, die eine Doppelringsubstruktur aufweist. Zwischen diesen beiden Ringen wurde das Kondensat gespeichert, wobei der Einschluss in der axialen Richtung durch einen Lichtteppich gewährleistet wird. Es wurde demonstriert, dass Atome, die mittels eines Bragg-Gitters beschleunigt wurden, zwei volle Umläufe im Ringpotential absolvieren können. Durch interferometrische Methoden wurde nach dem Umladen in das Potential ein Kontrast von bis zu 43% beobachtet. Die Kontrastreduktion gegenüber einer Messung im linearen Wellenleiter (53%), der aus einem Strahl der zur Erzeugung des Bose-Einstein-Kondensats genutzten Dipolfalle bestand, kann durch spontane Streuung von Photonen des Lichtteppichs begründet werden. Nach einem halben Umlauf im Ring, was einer zurückgelegten Strecke von 0,54 mm entspricht, zeigte sich, dass sowohl die Kohärenzlänge, als auch der Kontrast vergleichbar ist mit Werten, die für Kondensate nach ähnlichen Zeiten in Ruhe beobachtet werden. Bei allen interferometrischen Experimenten stimmte der beobachtete Streifenabstand mit den berechneten Werten überein. Für einen auf Dipolpotentialen basierenden Bragg-Spiegel für Atome wurde ein Modell aus der lokalen Bandstruktur entwickelt, durch das eine gezielte Dimensionierung bzgl. der Filterwirkung und Reflektivität eines solchen Spiegels erreicht werden kann. Der Spiegel besteht aus einem räumlich begrenzten optischen Gitter mit einer Gaußschen Einhüllenden. Durch die spezielle Form der Bandlücken, wie sie durch die Gaußsche Einhüllende entsteht, lässt sich ein Resonator für Atome konstruieren, dessen Reflektivität dynamisch durch Variation der Leistung der Gitterstrahlen verändert werden kann und der Aufenhaltsdauern von über 75 s ermöglicht. Dadurch ließen sich in Simulationen Rephasierungen der Wellenfunktion beobachten, die zu einer Wiederkehr der ursprünglichen Dichteverteilung führen. Für die Experimente wurde ein Bose-Einstein-Kondensat aus Rubidium87-Atomen in einer gekreuzten Dipolfalle durch evaporative Kühlung präpariert. Die Evaporation benötigt eine Zeit von 12 s. Zusammen mit der Ladezeit der magneto-optischen Falle und der Zeit, die für die Detektion benötigt wird, kann so etwa alle 20 s ein Bose-Einstein-Kondensat mit 15.000 Atomen und einem Kondensatanteil von 80% erzeugt werden. Es wurde beobachtet, dass ein breitbandiger Faserlaser, wie der hier verwendete mit einer Wellenlänge von 1070 nm, erhöhte intensitätsabhängige Zweikörperverluste verursacht, die in einer Lebensdauer der Atome in der Falle von unter 1 s resultieren können. Aus diesem Grund wurde der theoretisch optimale Verlauf der Evaporation modifiziert. Es konnte experimentell gezeigt werden, dass die Zeitkonstante der Leistungsreduktion proportional zur Lebensdauer bei der entsprechenden Leistung sein sollte, um eine optimale Evaporation zu gewährleisten. Trotz der hohen Verlustraten wurde so eine effiziente Präparation des Bose-Einstein-Kondensats erreicht.
3,2#10 13 (-/s) 1/2 Laserkühlung, Atominterferometrie, Spektroskopie Zusammenfassung Die Atominterferometrie besitzt aufgrund der kurzen de Broglie-Wellenlänge der atomaren Wellen eine immenses Potential für hochgenaue Messungen.Durch die Verknüpfung der Atominterferometrie mit den Methoden der Laserkühlung kann eine lange Verweildauer der Atome im Interferometer und eine damit einhergehende weitergehende Steigerung der Präzision erreicht werden.Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Verfahren zur Steigerung des Auflösungsvermögens bei der Atominterferometrie im Zeitraum und der Demonstration der erreichten Auflösung anhand der hochauflösenden Spektroskopie der Magnesium-Interkombinationslinie.Hierzu wurde eine magnetooptische Falle für Magnesiumatome im Hinblick auf atominterferometrische Messungen optimiert.Die dominierenden Fallenverlustprozesse und der Wiedereinfang des atomaren Ensembles nach einer endlichen Fallenauszeit wurden systematisch untersucht.Die Sensitivität des Interferenzsignals auf die Laserphase der Strahlteilerpulse konnte zur hochauflösenden Spektroskopie der Magnesium-Interkombinationslinie bei 457 nm ausgenutzt werden.Die schmalsten beobachteten Strukturen besitzen eine Linienbreite von 491 Hz.Bei einer Übergangsfrequenz von 655 THz entspricht dies einer Liniengüte von , welches die 1,3#10 12 höchste bisher für die Spektroskopie an neutralen Atomen publizierte Liniengüte übertrifft.Der Einsatz des Interferometers als optischer Frequenzstandard wird diskutiert.Die detektierten Interferenzsignale lassen eine Stabilität von erwarten.In der Atominterferometrie läßt sich wie in der optischen Interferometrie eine Steigerung der Sensitivität durch Vielstrahlinterferenzen erwarten.Anhand theoretischer Berechnungen wird ein Aufbau diskutiert, mit dem sich das bestehende Atominterferometer im Zeitraum zu einem Vielstrahlinterferometer mit beliebig vielen interferierenden Teilwellen erweitern läßt.In ersten Experimenten mit drei bzw.vier interferierenden Teilwellen konnten die für Vielstrahlinterferenzen charakteristischen Signalverläufe detektiert werden.Für die hochauflösende Spektroskopie sowie die Interferometrie mit kohärenten atomaren Ensemblen ist die Verwendung atomarer Ensemble möglichst geringer Temperatur bzw.hoher Phasenraumdichte wünschenswert.Es wird ein Verfahren vorgestellt, welches die Kühlung von gespeicherten Magnesiumatomen bis auf wenige µK erlaubt.Die Möglichkeit der Speicherung von Magnesiumatomen im -und -Zustand im Intensitätsmaximum eines fokussierten S 1 0 P 3 1 Nd:YAG-Laserstrahls wird aufgezeigt.Numerische Berechnungen zeigen, daß sich durch Einstrahlung eines zum Interkombinationsübergang rotverstimmten Lichtfeldes eine Kühlung der gespeicherten Atome mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung 1 s erreichen läßt.Der im Rahmen der Arbeit durchgeführte Einsatz der Atominterferometrie im Zeitraum für die Hochpräzisionsspektroskopie und die aufgezeigten Methoden zur Steigerung des Auflösungsvermögens ebnen den Weg für weitere Hochpräzisionsmessungen. 3,2#10 13 (-/s) 1/2 Laser cooling, atom interferometry, spectroscopy
Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein optisches Calcium-Frequenznormal bei 657 nm erstmals mit ultrakalten Calcium-Atomen (12 µK) realisiert und die Übergangsfrequenz mit Hilfe eines Frequenzkamm-Generators mit der zur Zeit weltweit geringsten Unsicherheit von 1,2 • 10 -14 bestimmt.Bisher maßgebliche Beiträge zur Unsicherheit des Frequenznormals konnten reduziert werden.So konnte durch den Einsatz ultrakalter Atome der Einfluss des Doppler-Effekts auf 1 Hz verringert werden.Durch Verbesserungen der Lasersysteme und durch die Optimierung der Quenchkühlung wurden Ensemble-Dichten von bis zu 4 • 10 10 cm -3 erreicht.Dies ermöglichte es, in Kombination mit dem empfindlicheren Nachweis von Frequenzverschiebungen durch Verwendung eines zustandsselektiven Detektionsschemas, den Beitrag von Stößen zur Unsicherheit auf 0,06 Hz (1,3 • 10 -16 ) zu reduzieren.Eine weitergehende Untersuchung von Stößen mittels Photoassoziations-Spektroskopie erlaubte die Beschränkung der möglichen Werte für die Grundzustands-Streulänge auf das Intervall von 50 a 0 bis 300 a 0 .Erstmals wurden Frequenzverschiebungen durch den zeitlichen Verlauf der Laserphase in den zur Abfrage des Uhrenübergangs benutzten Laserpulsen quantitativ untersucht und korrigiert.Der zweite Teil der Arbeit enthält erste Untersuchungen zur Realisierung einer optischen Gitteruhr mit Calcium-Atomen, die das Potenzial zur Realisierung noch kleinerer Unsicherheiten bietet.Es wurde gezeigt, dass die zur Kühlung der Atome benutzte Methode der Quenchkühlung geeignet ist, die Atome im rein konservativen Potenzial einer optischen Dipolfalle zu akkumulieren.Durch Messungen der Frequenzverschiebung des Uhrenübergangs durch den dynamischen Stark-Effekt konnten die " magischen Wellenlängen" für die Interkombinationsübergänge zum 3 P 1 -Niveau und zum 3 P 0 -Niveau bestimmt werden.