Zu Beginn sei an die drei Strahlungsprozesse erinnert, die wir bereits früher kennen gelernt haben. Es sind dies die Absorption von Strahlung, die induzierte (oder stimulierte) und die spontane Emission (Abb. 15.1). Induzierte übergänge werden also durch Photonen des Strahlungsfeldes induziert. Daher rührt der Name. Das induzierte Lichtquant und das den übergang induzierende Photon sind miteinander in Phase. Jedes dieser Photonen kann in anderen Atomen einen weiteren übergang induzieren, so dass aus dem ursprünglichen Quant vier Photonen werden, dann acht usw. Auf diesem Prozess beruht der Laser.
Zu Beginn sei an die drei Strahlungsprozesse erinnert, die wir bereits früher kennen gelernt haben. Es sind dies die Absorption von Strahlung, die induzierte (oder stimulierte) und die spontane Emission (Abb. 15.1). Induzierte übergänge werden also durch Photonen des Strahlungsfeldes induziert. Daher rührt der Name. Das induzierte Lichtquant und das den übergang induzierende Photon sind miteinander in Phase. Jedes dieser Photonen kann in anderen Atomen einen weiteren übergang induzieren, so dass aus dem ursprünglichen Quant vier Photonen werden, dann acht usw. Auf diesem Prozess beruht der Laser.
Die Basis für die Entwicklung des Lasers bildete die Erkenntnis Einsteins aus dem Jahre 1917, dass angeregte Atome neben der spontanen Emission von Lichtquanten – die allen bis dahin bekannten „natürlichen“ Lichtquellen zugrunde liegt – auch eine stimulierte Emission aufweisen, die durch ein schon vorhandenes Strahlungsfeld induziert wird. Ganz analog wie bei der Absorption von Licht die Zahl der absorbierten Lichtquanten der Intensität der eingestrahlten Welle proportional ist, wächst auch die stimulierte Emission mit der Stärke des vorhandenen Strahlungsfeldes. Im ersteren Fall erfahren die Atome den Übergang von einem tieferen zu einem höheren Energiezustand, denn bei der Absorption nehmen sie ja die Energie eines Lichtquants auf. Im zweiten Fall „springen“ sie durch Abgabe des induzierten Quants von einem höheren in einen tieferen Energiezustand. Geht man in beiden Fällen von einem identischen Lichtfeld aus, stimmt die Wahrscheinlichkeit für beide Prozesse überein. Da nun aber in einem Ensemble vieler Atome im „Normalfall“ des thermischen Gleichgewichts mehr Atome in unteren als in höheren Zuständen vorliegen, überwiegt immer die Absorption, und die stimulierte Emission wird gar nicht bemerkt.
Abstract Fragen der Photonenstatik von Lichtquellen sind in der Quantenoptik in den letzten Jahren sehr intensiv untersucht worden. Von besonderem Interesse ist dabei die Erzeugung der sogenannten nichtklassischen Strahlung. Diese ist nur bei einer quantenmechanischen Behandlung des Strahlungsfeldes erlaubt und kann nicht durch ein klassisches elektromagnetisches Feld dargestellt werden. Im Photonenbild entspricht der nichtklassischen Strahlung eine gleichmäßige Folge von Photonen. Ein solcher Lichtstrahl ist für die optische Kommunikation von sehr großem Interesse, da ein Optimum an Information übertragen werden kann; außerdem sind die Intensitätsschwankungen minimal. Aus diesem Grunde ist die Untersuchung der Bedingungen, die zur Erzeugung des nichtklassischen Lichtes führen, von großer Bedeutung. Es zeigt sich, daß die Herstellung der Strahlung in einem Maser/Laser dann möglich ist, wenn die Verluste außerordentlich klein gehalten werden; außerdem müssen die Energieaustauschprozesse zwischen Strahlungsfeld und Atomen sehr genau kontrolliert werden, so daß hierbei keine zusätzlichen Photonen verloren gehen. Diese Prozesse sind von grundsätzlichem Interesse, da sie eine Messung von Strahlungsfeldern erlauben, ohne daß dabei Photonen vernichtet werden, wie es normalerweise der Fall ist.
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.
ZusammenfassungVon grosser Bedeutung für das Funktionieren eines Lasers ist die Wechselwirkung zwischen der elektromagnetischen Strahlung und atomaren Systemen. In diesem Kapitel beschreiben wir die Prozesse der Absorption und Emission von Photonen durch ein atomares System. Für Zweiniveaux-Systeme werden dazu die Bilanzgleichungen abgeleitet, mit denen entschieden werden kann, ob und wann Verstärkung der einfallenden Strahlung auftritt. Es wird anschliessend untersucht, ob Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht überhaupt für den Laserprozess benützt werden können.
ZusammenfassungVon grosser Bedeutung für das Funktionieren eines Lasers ist die Wechselwirkung zwischen der elektromagnetischen Strahlung und atomaren Systemen. In diesem Kapitel beschreiben wir die Prozesse der Absorption und Emission von Photonen durch ein atomares System. Für Zweiniveaux-Systeme werden dazu die Bilanzgleichungen abgeleitet, mit denen entschieden werden kann, ob und wann Verstärkung der einfallenden Strahlung auftritt. Es wird anschliessend untersucht, ob Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht überhaupt für den Laserprozess benützt werden können.
In dieser Arbeit wird der Aufbau eines neuartigen, atomphysikalischen Experiments beschrieben, das zum Ziel hat, stark wechselwirkende Vielteilchensysteme bestehend aus polaren 23Na40K Molekülen zu erzeugen und zu studieren. Die anisotrope und langreichweitige Dipol-Dipol Wechselwirkung zwischen den Molekülen sollte es möglich machen, bisher nicht beobachtete Quanten-Vielteilchenzustände zu beobachten und prototypische Gittermodelle der Festkörperphysik zu simulieren, die zur Beschreibung von Quantenmagnetismus und Hochtemperatursupraleitern verwendet werden. Das 23Na40K Molekül ist für diesen Zweck besonders gut geeignet, da es in einer zwei-Körper Kollision chemisch stabil ist, fermionischer Quantenstatistik unterliegt und ein starkes Dipol Moment aufweist. Die experimentelle Prozedur zur Erzeugung eines ultrakalten Quantengases aus hetero-nuklearen Molekülen erfordert es, zuerst die elementaren Bestandteile des Moleküls durch Laser- und Verdampfungskühlen in den Zustand der simultanen Quantenentartung zu überführen. Die Wechselwirkung zwischen den bosonischen 23Na und den fermi-ionischen 40K Atomen lässt sich durch Ausnutzen einer Feshbach Streuresonanz mit einem externen Magnetfeld kontrollieren. In der Nähe einer solchen Feshbach Resonanz werden schwach gebundene 23Na40K Moleküle durch Radiofrequenzassoziation erzeugt. In einem weiteren Schritt sollen diese Feshbach Moleküle durch eine stimulierte Raman adiabatische Passage (STIRAP) in den rovibronischen und Hyperfein-Grundzustand des Moleküls überführt werden. Die Differenz der Bindungsenergie wird hierbei nicht spontan frei, was unweigerlich die Aufhebung der Quantenentartung des Molekülgases zur Folge hätte, sondern wird durch stimulierte Emission kontrolliert abgeführt. Die Kombination beider Methoden, der Feshbach Assoziation und der STIRAP, erlaubt es den Prozess der Molekülbindung auf fundamentaler, quantenmechanischer Ebene zu steuern. Um die STIRAP zu implementieren ist es notwendig, ein geeignetes molekulares Zwischenniveau in einem elektronisch angeregten Zustand zu identifizieren, über welches das Feshbach Molekül mit dem rovibronischen Grundzustand in einen zwei-Photonen Übergang gekoppelt wird. Ein solches Zwischenniveau konnte durch hochauflösende Molekülspektroskopie im elektronisch angeregten 3\Pi Zustand identifiziert werden. Dieser Vibrationszustand (∣3ΠΩ=1ν=5⟩) ist durch molekulare Spin-Orbit Wechselwirkung an einen nah-resonanten Vibrationszustand im D1Π Zustand gekoppelt. Erst durch die Beimischung dieses Spin-Singulett Zustands ist es möglich den rovibronischen Grundzustand (ebenfalls Spin-Singulett) zu adressieren. Die zugehörige Übergangsfrequenz konnte durch kohärente Zwei-Photonen Spektroskopie bestimmt werden. Durch elektromagnetisch induzierte Transparenz wurden die Rabifrequenzen beider STIRAP Übergänge bestimmt und die Kohärenzeigenschaften des Dunkelzustandes untersucht. Bis zum heutigen Zeitpunkt ist es nicht möglich den identifizierten Zwischenzustand zu benutzen um 23Na40K Moleküle in den rovibronischen Grundzustand zu überführen. Das Phasenrauschen der zum Einsatz kommenden Halbleiter-Laser konnte als limitierender Faktor identifiziert werden. Darüberhinaus führt die spektroskopisch nicht auflösbare molekulare Hyperfeinstruktur des ∣3ΠΩ=1ν=5⟩ Zustands zu einer Konfiguration in der kein echter Dunkelzustand existiert, der für die STIRAP benutzt werden kann. Aus diesen Gründen erscheint es unwahrscheinlich, dass das gegenwärtige STIRAP Schema (Halbleiterlaser, ∣3ΠΩ=1ν=5⟩ Zwischenniveau, resonante STIRAP) Grundzustandsmoleküle mit hoher Effizienz erzeugen wird. Dieses Schema kann jedoch durch ein anderes ersetzt werden, das erst kürzlich erfolgreich für den Grundzustands-Transfer von 23Na40K verwendet wurde. Die günstigen Eigenschaften des 23Na40K Moleküls in Kombination mit dem hier präsentierten Experimentaufbau sollten es daher in Zukunft möglich machen, dipolare Vielteilchensysteme zu erzeugen und zu studieren.