Kohaerente Atomoptik mit dem Atomlaser

Die vorliegende Arbeit berichtet ueber die ersten atomoptischen
Experimente mit Atomlaserstrahlen. Die Atomlaserstrahlen werden aus
Bose-Einstein-Kondensaten, die aus 87Rb- Atomen bestehen,
extrahiert und propagieren ballistisch im Gravitationsfeld. Mit
Hilfe von Hyperfein-Ramanuebergaengen in einem externen inhomogenen
Magnetfeld wird ein Spiegel, ein Strahlteiler und ein Resonator
fuer den Atomlaser realisiert. Die Oberflaeche des Spiegels ist
durch eine Resonanzbedingung definiert, die von der Differenz der
Frequenzen der Ramanlaser und der lokalen Magnetfeldstaerke
abh¨angt. Die Reflektion findet an Flaechen konstanten Magnetfeldes
statt und somit kann eine extrem glatte Spiegelflaeche realisiert
werden. Die Impulsverbreiterung des Atomlaserstrahls bei der
Reflektion betraegt weniger als 1/30 eines Photonenr¨uckstoßes und
die Reflektivitaet des Materiewellenspiegels liegt bei ¨uber 98%.
Mit dem neuen Materiewellenspiegel wird die zeitliche Kohaerenz von
Atomlaserstrahlen untersucht. Durch die Retroreflektion des
Atomlaserstrahls an dem Spiegel erzielt man eine Ueberlagerung des
einlaufenden und des reflektierten Anteils der Welle. Die
Verz¨ogerungszeit zwischen den interferierenden Anteilen haengt von
der Entfernung des Beobachtungsortes zur Spiegeloberflaeche ab. Das
resultierende Interferenzmuster dieser stehenden Materiewelle wird
mit einem neuartigen Magnetresonanzverfahren detektiert, das eine
raeumlichen Au߬osung von 65 nm ermoeglicht. Der gemessene Kontrast
ist ein Maß fuer die Kohaerenzzeit bzw. die Energiebreite des
Atomlaserstrahls. Die Messung zeigt, daß die Energiebreite des
Atomlaserstrahls mit zunehmender zeitlicher Dauer der Auskopplung
abnimmt und Fourier-begrenzt durch die Auskopplungsdauer ist.
Außerdem setzt die Messung eine Untergrenze fuer die
Phasendiffusionszeit des Bose-Einstein-Kondensats. Waehrend des
Auskopplungsprozesses des Atomlaserstrahls aus dem Bose-Einstein-
Kondensat streuen die Atome an dem repulsiven Potential des in der
Falle verbleibenden Bose-Einstein-Kondensats. Dieser Streuvorgang
wird sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Um die
resultierenden transversalen Strukturen im Atomlaserstrahl sichtbar
zu machen, wird ein neues Verfahren zur Impulsvergroeßerung
eingesetzt: der Materiewellenspiegel wird in einer
Hohlspiegelkonfiguration verwendet, die den Strahl aufweitet und
eine Impulsaufl¨osung von 1/100 eines Photonenr¨ucktoßes
ermoeglicht. Damit tritt die theoretisch erwartete Aufspaltung des
Strahls deutlich hervor. Neben den Eigenschaften der
Atomlaserstrahlen wird auch die Kinetik des Wachstumsprozesses von
Bose-Einstein-Kondensaten beim Durchqueren des Phasenuebergangs
untersucht. DasWachstum von Bose-Einstein-Kondensaten besitzt in
Bezug auf den Atomlaser die gleiche Bedeutung wie das Pumpen des
Verstaerkungsmediums im optischen Laser. Fuer eine quantitative
Untersuchung wird eine thermische Atomwolke oberhalb der kritischen
Temperatur pr¨apariert und dann kontrolliert in das
quantenentartete Regime gekuehlt. Das Wachstum des Kondensats
startet nach dem Beginn des Kuehlens erst mit Verz¨ogerung, und
diese Verz¨ogerungszeit wird erstmals gemessen. Fuer schwaches
Kuehlen durch den Phasenuebergang beobachtet man einen
zweistufigenWachstumsprozeß der Kondensatatomzahl, was
moeglicherweise auf Phasenfluktuationen im Entstehungsprozeß
hindeutet.