Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-947
Main Title: Laserkühlung und Speicherung metastabiler Heliumatome in inhomogenen elektrischen Feldern
Translated Title: laser cooling and trapping of metastable Helium atoms in inhomogeneous electric fields
Author(s): Schumann, René
Advisor(s): Oppen, Gebhard von
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Arbeit beschäftigt sich mit der Laserkühlung und der Speicherung von metastabilen Heliumatomen in inhomogenen elektrischen Feldern. Nach einer Einführung in die Grundlagen der Laserkühlung und Speicherung von neutralen Atomen und einem Überblick über experimentelle Techniken in diesem Bereich wird das Prinzip eines Stark-Slowers und eine spezielle Umsetzung für metastabiles Helium beschrieben. Die Laserkühlung der metastabilen Heliumatome, die sich im 2^3S_1-Zustand befinden, erfolgt über einen Übergang in den 3^3P_2-Zustand, wobei man die verhältnismäßig starke elektrische Polarsierbarkeit des 3^3P_2-Zustandes von 4.29 MHz/(kV/cm)^2 nutzt, um in elektrischen Feldern, die man gut im Labor herstellen kann, die während der Laserkühlung veränderliche Doppler-Verschiebung des UV-Laserlichtes (Wellenlänge 389 nm) zu kompensieren. Es wird ebenfalls beschrieben, wie man mit Hilfe eines schwachen Magnetfeldes von ca. 0.5 Gauß optisches Pumpen während der Laserkühlung unterdrücken kann, welches anderen Falls in elektrischen Feldern oberhalb von ca. 20 kV/cm zum Abreißen des Laserkühlungsprozesses führen würde. Der experimentelle Aufbau bestehend aus den verwendeten Lasern und der Vakuumapparatur zur Erzeugung des Heliumatomstrahls wird beschrieben. Als Lasersysteme kommt ein extern frequenzverdoppelter Single-Mode CW-Titan-Saphir-Laser (Wellenlänge 389 nm) und zwei Diodenlaser (Wellenlänge 1083 nm) zum Einsatz. Die Vakuumapparatur besteht aus einer flüssig Stickstoff gekühlten Düsenstrahlquelle für Helium, in der in einer Gasentladung in einem Teil der Heliumatome der metastabile 2^3S_1-Zustand bevölkert wird. Nach einem Abschnitt zur transversalen Laserkühlung und Abtrennung des metastabilen Anteils der Heliumatome vom Rest des Heliumatomstrahls folgt der eigentliche Stark-Slower zum abbremsen der metastabilen Heliumatome. In letzten Teil der Experimente ist die Vakuumapparatur noch um eine magneto-optische Falle zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome erweitert worden. Die im Experiment gemessenen Flugzeitverteilungen der metastabilen Heliumatome werden mit einem Modell konstanter Beschleunigung und mit einer Computersimulation des Experimentes verglichen. Mit einer ersten Version des Stark-Slowers werden die metastabilen Heliumatome von ca. 1000 m/s auf ca. 180 m/s abgebremst. Nach einer Verbesserung des Stark-Slowers werden Endgeschwindigkeiten von ca. 30 m/s erreicht, die im Einfangbereich der magneto-optischen Falle liegen. Weiter wird die erfolgreiche Unterdrückung des optischen Pumpens in den 2^3S_1-Zustand mit m_J=0 gezeigt. Den Abschluß des experimentellen Teils bilden Messungen zur Speicherung der kalten metastabilen Heliumatome in der magneto-optischen Falle. Die Anzahl der metastabilen Heliumatome wird zu ca. 10^5 abgeschätzt. Die Temperatur der Heliumwolke liegt bei ca. 1.1 mK, wobei jedoch die Geschwindigkeitsverteilung der Heliumatome aber von einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung abweicht. Die Ursache der Abweichung ist nicht bekannt. Im letzten Teil der Arbeit wird ein Modell einer elektro-dynamischen Falle beschrieben. Dabei werden Bewegungsgleichungen der Teilchen in einer solchen Falle hergeleitet, um anschließend zu untersuchen, für welche Parameter diese Fallen in der Lage sind kalte metastabile Heliumatome zu speichern. Abgeschlossen wird die Arbeit nach einer Zusammenfassung der Ergebnisse mit einen Ausblick auf zukünftige Experimente und Möglichkeiten, den Stark-Slower weiter zu verbessern.
The work is investigating laser cooling and trapping of metastable Helium atoms in inhomogeneous electric fields. After an introduction into the basic ideas of laser cooling and trapping of neutral atoms and a survey of the experimental techniques in this area the principle of a Stark-Slower and its special realisation for metastable Helium atoms is described. Laser cooling of metastable Helium atoms, which are in the 2^3S_1 state, uses a transition into the 3^3P_2 state. The relatively high electric polarisability 4.29 MHz/(kV/cm)^2 of the 3^3P_2 state is used to be able to compensate the Doppler shift of the UV-light (wavelength 389 nm), which is changing during the laser cooling process, in electric fields easily producible in the laboratory. A small magnetic field of about 0.5 Gauß orthogonal to the electric field direction of the Stark-Slower is used to suppress optical pumping into the 2^3S_1 m_J=0 state which other wise would stop the laser cooling process at electric field strength above 20 kV/cm. The experimental setup consisting of the lasers and the vacuum apparatus is described. The laser systems used are an externally frequency doubled single-mode Titanium:Sapphire-Laser (wavelength 389 nm) and two diode-lasers (wavelength 1083 nm). The vacuum apparatus starts with a liquid Nitrogen cooled jet source for Helium atoms. In a gas discharge burning in the Helium jet a part of the Helium atoms is prepared in the metastable 2^3S_1 state. The setup of the Stark-Slower to decelerate the metastable Helium atoms follows after a section for transversal laser cooling and separation of the meta stable part of the Helium atoms from the rest of the ground state atoms. In the last part the experiments the apparatus was extended by a magneto-optical trap for the metastable Helium atoms after the Stark-Slower to trap the slow metastable Helium atoms. The measured time-of-flight distributions of the metastable Helium atoms are compared to a model of constant deceleration within the Stark-Slower and to the results of a computer simulation of the experiment. In a first version of the Stark-Slower metastable Helium atoms a decelerated from about 1000 m/s down to about 180 m/s. After an improvement of the Stark-Slower we obtained velocities of the metastable Helium atoms at the exit of the Slower in the range of 30 m/s, which is in the capture velocity range of the magneto-optical trap. We discuss the successful suppression of the aforementioned optical pumping into the 2^3S_1 m_J=0 state. The last part of the experiments concerns measurements with the magneto-optical trap. The number of metastable atoms in the trap is estimated to be about 10^5. The temperature of the metastable Helium atoms in the trap is 1.1 mK, but the measured velocity distribution does not fit very well to a corresponding Maxwell-Boltzmann distribution. The reason for this deviation is unknown. In the following part of this work a model of an electro-dynamic trap is described. The equations of motion for particles in these traps are determined to investigate the parameter range in which these traps are able to trap metastable Helium atoms. The work is concluded by a summary and an outlook to future experiments and opportunities to further improve the Stark-Slower.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-8472
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1244
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-947
Exam Date: 22-Apr-2004
Issue Date: 21-May-2004
Date Available: 21-May-2004
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Elektro-dynamische Falle
Laserkühlung
Magneto-optische Falle
Neutrale Atome
Speicherung
Stark-Slower
Electro-dynamic trap
Laser cooling
Magneto-optical trap
Neutral atoms
Stark-Slower
Trapping
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