Lasersystem zur Kühlung von Li-Quantengasen

Zur Durchführung der geplanten Forschungsvorhaben werden vier Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 671 nm, welche auf die selektive Manipulation der atomaren Zustände in Lithium-6 abgestimmt ist, benötigt. 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 wieder finden 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 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 Lithium in viele Teilstrahlen aufgespalten werden. Dies bedingt hohe optische Leistungen (bis 3 W) und eine Strahlführung über polarisationserhaltende Fasern. Vier der Diodenlaser müssen daher mit Tapered Amplifiern verstärkt werden. Benötigt werden drei Laser zur Laserkühlung sowie ein Abbildungslaser. Das Gesamtsystem umfasst vier Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 671 nm, die jeweils spezifische Aufgaben im Experiment erfüllen. - Ein Diodenlaser für den Zeeman-Slower (Abkühlung des atomaren Strahls vor dem Einfang in der MOT), fasergekoppelt, frequenzstabilisiert - Zwei Diodenlaser für die Magneto-Optische Falle (MOT): o ein "Cooler"-Laser zur Realisierung des eigentlichen Kühlübergangs o ein "Repumper"-Laser zur Rückführung der Atome in den kühlbaren Zustand Beide Laser müssen frequenzstabilisiert, polarisationserhaltend fasergekoppelt und in ihrer Ausgangsleistung so ausgelegt sein, dass eine Aufspaltung in sechs MOT-Strahlen mit ausreichender Intensität gewährleistet werden kann. - Ein Diodenlaser für die resonante Absorptionsabbildung (bildgebender Übergang, schaltet synchron mit der Bildaufnahme), fasergekoppelt, mit präziser Modulationsfähigkeit Das komplette Lasersystem muss in einem 19"-Laserrack untergebracht sein. Die räumliche Situation im Labor erlaubt keinen optischen Aufbau der Lasermodule auf optischen Tischen. Ein kompakter Rackaufbau ermöglicht zudem eine standardisierte, wartungsarme Integration in bestehende Infrastruktur. Zudem muss die rackintegrierte Lösung eine thermisch kontrollierte, mechanisch stabile Umgebung sicherstellen werden, die für Frequenzstabilität und Reproduzierbarkeit der Messungen zwingend erforderlich ist. Das Lasersystem muss über automatische Lockfunktionen verfügen, denn die Messdauer am Experiment für einzelne Messerien kann bis zu 40 Stunden betragen. Dies erfordert höchste Stabilität und Präzision und ohne automatisierte Nachregelung ist die Stabilität der Laserfrequenzen und Strahlqualität nicht gewährleistet, was zu einem Abbruch oder zur Unbrauchbarkeit ganzer Messreihen führen würde. Die zuverlässige Frequenzstabilisierung des Lasersystems ist somit essenziell für den wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn. Die nach der Faser verfügbare Leistung muss mindestens 200 mW für MOT-Laser und >100 mW für Abbildungs- und Zeemanslower-Laser betragen. Außerdem müssen alle Laser polarisationserhaltend fasergekoppelt ausgeführt sein, denn die optischen Elemente zur Erzeugung der Magneto-Optischen Falle (MOT), für das Imaging sowie der Zeemanslower sind räumlich getrennt angeordnet, deswegen ist eine verlustarme Strahlführung über Fasern notwendig. Nur fasergekoppelte Systeme mit ausreichender Leistung garantieren eine stabile, reproduzierbare Bestrahlung der Atome an definierten Positionen im Vakuumapparat. Auch die Polarisationsstabilität ist dabei essenziell, da ein Polarisationsdrift zu einem Ausfall der MOT-Funktion oder zu schwächeren Signal in der Abbildung führt. Das System muss durch eine aktive Temperaturregelung (z. B. Flüssigkühlung oder geregelte Peltierkühlung) stabilisiert sein. Passive Luftkühlung reicht nicht aus. Die zur Laserkühlung verwendeten Übergänge im 6Li-Niveau-Schema liegen im MHz-Bereich. Temperaturdrifts in den Lasermodulen führt schnell zu einer Abweichung der Laserfrequenz vom gewünschten Resonanzübergang und damit zur sofortigen Verschlechterung oder zum Ausfall der Kühlung. Nur durch aktive Temperaturkontrolle inklusive effizienter Wärmeableitung zur Vermeidung thermischer Drifteffekte lassen sich die hochpräzisen Bedingungen über die notwendige Messdauer sicherstellen. Das System muss vollständig ferngesteuert bedienbar sein, z.B. über Ethernet/SCPI, sowie über eine einheitliche grafische Benutzeroberfläche. Im Realbetrieb erfolgt der Start, die Überwachung und ggf. Fehlerkorrektur der Experimente ferngesteuert (z. B. über automatisierte Kontrollsoftware im Labor). Die vollständige Fernbedienbarkeit ist daher Voraussetzung für einen durchgängigen und sicheren Betrieb.