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
Die Interferometrie von Materiewellen, d. h. die Nutzung der Welleneigenschaften der Materie durch die Manipulation der internen Zustände von Atomen mittels Lasern, wird für den Einsatz in der Geodäsie zunehmend interessanter. Dieser Beitrag gibt eine kurze Einführung in den theoretischen Hintergrund der Atominterferometrie und beschreibt Einsatzmöglichkeiten in der Geodäsie mit dem Schwerpunkt Gravimetrie. Am Beispiel verschiedener Geräte werden zurzeit limitierende Faktoren in der relativen und absoluten Gravimetrie dargestellt und das Potenzial der neuen Technik aufgezeigt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf den mobilen Einsatz außerhalb kontrollierter Laborumgebungen gelegt, eine wichtige Voraussetzung für den zukünftigen geodätischen Einsatz.
Im ersten Teil dieser Arbeit werden die atominterferometrischen Grundlagen für das Wasserstoff-Atomstrahl-Spinecho eingeführt. Diese werden zu einer Streutheorie erweitert, bei der die transversale Aufspaltung von Wellenpaketen genutzt wird, um mit dieser speziellen Art des Spinechos dynamische Korrelationsfunktionen direkt zu messen. Die Theorie gibt zudem wichtige Rahmenbedingungen zur experimentellen Realisierung vor. Die Spulen, die für transversales Spinecho nötig sind, werden beschrieben, und erste Messungen am geraden Strahl werden diskutiert. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich speziellen Quellen für Atom- und Molekülstrahlen. Es wird ein neuer Ansatz zur Dissoziation von molekularem Wasserstoff und der Erzeugung eines Überschallstrahls aus atomarem Wasserstoff verfolgt. Dazu werden Plasmen genutzt, die zwischen mikrostrukturierten Elektroden mit Abständen im Sub-Millimeter-Bereich brennen. Messungen zur Strahlcharakterisierung dieser Quelle mittels He* werden diskutiert. Außerdem wird eine Quelle vorgestellt, mit der es möglich ist, langsame und kalte Atom- und Molekülstrahlen zu erzeugen, indem Gas adiabatisch aus einer sich bewegenden Düse expandiert, die am Ende eines Rotors montiert ist. Das Design dieser Quelle wird präsentiert und anhand von Messungen wird gezeigt, dass mit dieser Quelle beispielsweise ein Argonstrahl mit einer mittleren Geschwindigkeit von 170 m/s und einer Strahltemperatur von 4 K erzeugt werden kann.