Lasersystem zur Herstellung und Kontrolle dotierter Quantengase

Das zu beschaffende Diodenlasersystem dient der Erzeugung, Manipulation und Abbildung eines Rubidium-Quantengases mit dotierten Cäsiumatomen. Es ermöglicht die Durchführung komplexer Experimente zur Laserkühlung (2D-/3D-MOT, Raman-Seitenbandkühlung), Zustandspräparation sowie speziesselektiven Fallenbildung mittels optischer Pinzetten. In den Experimenten, in die das Diodenlasersystem integriert werden soll, werden Ensembles aus Atomen auf Temperaturen weit unter 1K, in die Nähe des absoluten Temperaturnullpunkts, abgekühlt, sodass quantenmechanische Eigenschaften auf makroskopischer Ebene sichtbar werden. In diesen Systemen lassen sich zentrale Fragen der Quantenmechanik, Atomphysik und Materialforschung experimentell untersuchen, indem die Reaktion der eingefangenen Atome auf verschiedene äußere Einflüsse untersucht werden. Zum Erreichen solch niedriger Temperaturen und zur präzisen Zustandskontrolle werden unter anderen Lasersysteme eingesetzt, über Licht-Materie-Wechselwirkung lassen sich dabei Atome mittels Laserkühlung einfangen. Zur Kühlung der Atome ist für jede Spezies jeweils ein Kühl- und ein Rückpumperlaser nötig, deren Ausgangsstrahlen sich in der Frequenz unterscheiden, um verschiedene Übergänge der Atome zu adressieren. Hier werden im Speziellen einzelne Cäsium-Atome (Cs) als kontrollierbare "Fremdatome" in ein ultrakaltes Rubidium-Quantengas eingebracht. Dabei wird gezielt die Wechselwirkung zwischen dem Rubidium-Quantengas und den einzelnen Cäsiumatomen untersucht. Eine exakte Kontrolle über Zustand und Position der gefangenen Atome, sowie die äußeren Rahmenbedingen, wie beispielsweise Magnetfelder, ermöglicht hochpräzise Messungen, um zum grundlegenden Verständnis mikroskopischer Prozesse beizutragen. Neben der Kontrolle der Temperatur und des internen Zustands der Atome ist die Positionierung ein wichtiger Faktor. Einzelne Atome können beispielsweise mit Hilfe so genannter optischer Pinzetten exakt positioniert werden, um hochpräzise Messungen zu ermöglichen. Dabei werden Atome über Licht-Materie-Wechselwirkung ähnlich zu einer mechanischen Pinzette im Zentrum eines Laserstrahls gefangen und werden durch Bewegen des Laserstrahls mit bewegt. Generelle Anforderungen: Zum Fangen und Kühlen der beiden atomaren Spezies werden jeweils zwei Laser benötigt. Ferner sind zwei Laser zur Zustandspräparation der Rubidiumatome vorgesehen und ein Laser zum Erzeugen einer optischen Pinzette. Um eine größtmögliche Stabilität des Systems und die Möglichkeit zur Messdatenaufnahme über mehrere Tage zu gewährleisten, muss das System größtenteils automatisiert seine wichtigsten Parameter nachregeln bzw. Regelpunkte bei unterbrochener Regelschleife eigenständig wiederfinden und eine Regelung wieder in Betrieb nehmen können. Um im Experiment ausreichende Kontrolle über die Atome zu erreichen, ist ein stabiles Lasersystem vonnöten, das auf die Eigenschaften der hier verwendeten Atome maßgeschneidert ist. Das System soll rackbasiert, fasergekoppelt, hochstabil und automatisiert (inkl. auto-lock und auto-align) betrieben werden können. Ziel ist ein zuverlässig automatisierter 24/7-Betrieb, um hochempfindliche, wiederholte Messungen an zerstörbaren Quantenzuständen ohne ständige manuelle Eingriffe durchführen zu können. Dies erfordert unterbrechungsfrei höchste Stabilität und Präzision über bis zu 40 Stunden. Auf Grund der beschränkten räumlichen Gegebenheiten ist ein Aufstellen der Diodenlaser und Verstärker auf optischen Tischen nicht möglich, diese müssen mitsamt Controllern ausgelagert werden in einen Rackaufbau. Die benötigte Racklösung muss zudem eine aktive Kühlung ermöglichen, da andere Konzepte (z. B. passive Luftkühlung) thermische Drifts und damit Instabilitäten verursachen würden. Zur Erzeugung der Quantengase müssen Laserstrahlen zur Dopplerkühlung, Rückpumpen und Zustandspräparation von Rb und Cs in viele Teilstrahlen aufgespalten werden. Dies bedingt hohe optische Leistungen (bis 3 W) und eine Strahlführung über polarisationserhaltende Fasern. Drei der Diodenlaser (zwei bei 780 nm, einer bei 852 nm) müssen daher mit Tapered Amplifiern verstärkt werden. Benötigt werden je zwei Laser zur Laserkühlung der Rubidium- bzw. Cäsiumatome. Zum Treiben von sogenannten Ramanübergängen der Rubidiumatome werden zwei phasenstarr aufeinander gelockte Laser bei 780 nm benötigt. Dazu ist ein integriertes beat detection module mit Phasen-Frequenz-Diskriminator erforderlich. Ein Laser bei 933 nm zur Erzeugung einer optischen Pinzette zur exakten Manipulation der einzelnen Cäsiumatome muss eine hohe Leistungen liefern, um einzelne Atome gegen die Gravitation zu halten - dies ist nur mit Verstärkung auf mindestens 2,5 W erreichbar. Dieses System kann auf Grund der räumlichen Gegebenheiten im Labor räumlich getrennt von den anderen Diodenlasern realisiert werden. Um optische Potentiale maßgeschneidert auf die verwendeten Atome erzeugen zu können, müssen die Laserfrequenzen mit einer Genauigkeit von mindestens 100 MHz eingestellt werden können, andernfalls sind kontrollierte Messungen an atomaren Übergängen nicht möglich. Zu diesem Zweck ist wird Wellenlängenmessgerät mit besagter Genauigkeit benötigt, das zusätzlich kompatibel mit bereits vorhandenen Geräten ist. Lasermodulübersicht: Damit umfasst das Gesamtsystem insgesamt sieben Diodenlaser, die folgenden Anforderungen genügen müssen: - Vier Diodenlaser für Rubidium bei 780 nm, davon zwei phasenstarr aufeinander gelockt (Raman-Anwendung), die anderen beiden verstärkt (Kühlung und Rückpumpen), fasergekoppelt - Zwei Diodenlaser für Cäsium bei 852 nm (Kühlung und Rückpumpen), fasergekoppelt - Ein Laser bei 933 nm zur Erzeugung einer optischen Pinzette mit Laserverstärker für eine Ausgangsleistung von mindestens 2,5 W. - Weitere Anforderungen zu Leistung, Stabilität und Locking - Automatisierung und Fernsteuerung - Mechanik und Aufbau - Strahlführung - Lieferung und Integration