Aufgrund der vielfältigen Manipulationsmöglichkeiten von atomaren Systemen mit Lichtfeldern ist die Präparation und Untersuchung von kalten Atomen und Bose-Einstein-Kondensaten in optischen Potentialen ein interessantes und aktives Forschungsgebiet.In vielen Experimenten wird ein Bose-Einstein-Kondensat zunächst durch evaporative Kühlung in einer Magnetfalle erzeugt und dann in ein optisches Potential umgeladen.Häug ist es aber wünschenswert, das Bose-Einstein-Kondensat direkt in einem optischen Potential zu erzeugen, so dass auf den Einsatz einer Magnetfalle komplett verzichtet werden kann.Dies ist die zentrale Motivation für die hier beschriebenen Experimente.Mehreren Arbeitsgruppen ist es bereits gelungen, Quantenentartung durch evaporatives Kühlen in einer CO 2 -Laser Dipolfalle zu erzeugen.Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen zur evaporativen Kühlung von 87 Rb-Atomen in einer Dipolfalle, die mit einem technisch wesentlich einfacher handhabbaren Scheibenlaser mit einer Wellenlänge von 1030 nm erzeugt wird.Aufgrund seiner Wellenlänge hat ein Laser dieser Art im Vergleich zu einem CO 2 -Laser den Vorteil, dass für den optischen Aufbau der Dipolfalle optische Standardkomponenten benutzt werden können.Ausgangspunkt für diese Experimente stellte eine bereits für frühere Experimente verwendete Apparatur zur Erzeugung kalter Ensembles von 85 Rb dar.Da es aufgrund der attraktiven Wechselwirkung sehr schwierig ist, ein Bose-Einstein-Kondensat aus 85 Rb-Atomen zu erzeugen, wurde das Experiment für die Verwendung von 87 Rb umgebaut.Mit dem neuen Aufbau ist es nun möglich, bis zu 10 9 87 Rb-Atome in der magneto-optischen Falle zu fangen.Es wurde ein Dipolfallenaufbau realisiert, der es ermöglicht sowohl Einzelstrahldipolfallen als auch gekreuzte Dipolfallen zu erzeugen.Die Atome werden direkt aus einer magneto-optischen Falle in die Dipolfalle geladen.Da es für eine eziente evaporative Kühlung essentiell ist mit einer hohen Anfangsteilchendichte zu starten, wurde das Ladeverhalten der Dipolfalle detailliert untersucht und optimiert.Es konnten bis zu 150.000Atome in eine gekreuzte Dipolfalle geladen werden.Neben einer Optimierung des Umladeprozesses ist auch eine Optimierung der Fallengeometrie für die evaporative Kühlung notwendig.Daher wurden Dipolfallen mit verschiedenen Fokusgröÿen des Dipolfallenstrahls untersucht und das atomare Ensemble in der Dipolfalle wurde durch Herunterrampen der Leistung des Fallenlasers evaporativ gekühlt.Die bisher besten Ergebnisse konnten in einer gekreuzten Dipolfalle mit einer Fokusgröÿe von etwa 40 µm erreicht werden.Ausgehend von einer Phasenraumdichte von etwa 2 × 10 -4 und einer Temperatur von 60 µK konnten durch die evaporative Kühlung Temperaturen unterhalb von 200 nK bei einer Phasenraumdichte von etwa 0,2 erreicht werden.Die Teilchenzahl reduzierte sich dabei von etwa 60.000 auf etwa 3.500.
Die vorliegende Dissertation beschreibt Experimente mit einzelnen Atomen in einem optischen Resonator hoher Finesse.Bei Beleuchtung des Atoms mit einem transversalen Pumplaser kommt es in Kombination mit einer resonatorunabhängigen Stehwellen-Dipolfalle und dem Vakuumfeld des Resonators zu dreidimensional wirkenden Kühlkräften, die zur Präparation einzelner Atome im Zentrum der Resonatormode verwendet werden.Durch Verschieben der Stehwellenfalle kann die Atom-Resonator-Kopplung exakt eingestellt werden.Für die Experimente wurde eine neue Apparatur aufgebaut, in der Atome aus einer magnetooptischen Falle mit Hilfe einer Dipolfalle zum optischen Resonator transportiert werden.Die dort gespeicherten Atome weisen Temperaturen unter der Doppler-Grenze auf, sie sind gut in der Mode lokalisiert und bleiben im Mittel 17 s lang gespeichert.Zudem kann aus der Photonenstreurate die Anzahl der gespeicherten Atome bestimmt werden.
This thesis explores ensembles of ultracold atoms, trapped and
cooled in dark optical lattices. In this type of optical lattice,
atoms are trapped in quantum states which are decoupled from the
trapping light field. Therefore, elastic scattering - the main
process limiting the density of atoms in optical lattices - is
significantly reduced. This entails the chance to overcome the
density limit existing in conventional
optical lattices. We explore a novel scheme for density
enhancement which allows for a four-fold density increase over the
initial density of the magneto-optical trap (MOT). We load
atoms from the MOT into a modified optical lattice
consisting of a three-dimensional dark optical lattice and a
far-detuned optical dipole trap. Atoms are now cooled down in the potentials of dark optical lattice at typical
densities of a MOT. The enhancement
procedure is based on a time sequence composed of cooling and
trapping cycles inside the dark optical lattice and cycles of free
evolution in an array of microscopic potentials formed by the
dipole trap.
Im Rahmen dieser Arbeit werden kalte Atome in einem dunklen
optischen Gitter untersucht. In diesem Typ von optischem Gitter
sind die Atome in Zustanden gefangen, die nur schwach mit dem
Lichtfeld wechselwirken. Dadurch ist die elastische Komponente
der Photonenstreuung, die in konventionellen optischen Gittern fur
die Begrenzung der atomaren Dichte verantwortlich ist, erheblich
reduziert. Deswegen wird es moglich in dunklen optischen Gittern
die Dichtebegrenzung konventioneller optischer Gitter zu ubertreffen. Wir untersuchen eine neue
Methode der Dichteerhohung, mit der wir einen vierfachen Anstieg
der atomaren Dichte gegenuber der Anfangsdichte in der MOT
erreichen. Die Atome werden aus einer magneto-optischen Falle in eine Uberlagerung von zwei optischen Fallen
geladen. Diese ist durch ein drei-dimensionales dunkles optisches
Gitter und eine fernverstimmte optische Stehwellen-Dipolfalle
gebildet. Das Verfahren der Dichteerhohung basiert auf
abwechselnden Zyklen der Kuhlung und Lokalisierung in dem dunklen
optischen Gitter und Zyklen der freier Expansion in den
Mikropotentialen der optischen Stehwellen-Dipolfalle.