Quantenoptik mit gespeicherten 40Ca+-Ionen

Das Ziel dieser Arbeit war es 40Ca+-Ionen an einen optischen
Resonator zu koppeln, um auf diese Weise Resonator-QED-Experimente,
mit einer konstanten und deterministischen Kopplung durchzuf¨uhren.
Als wichtigstes Ergebnis ist es erstmals gelungen, im
kontinuierlichen Betrieb kontrollierte Lichtpulse zu erzeugen, die
genau ein Photon enthalten. Zun¨achst war es unerl¨asslich, ein
bestehendes Experiment weiter zu entwickeln, so wie wichtige
Eigenschaften des 40Ca+-Ions zu vermessen. Dazu wurde die bisherige
Falle durch eine verbesserte Ionenfalle ersetzt. Diese wurde
charakterisiert, wobei insbesondere eine verbesserte
Mikrobewegungskompensation nachgewiesen wurde. Zur Durchf¨uhrung
der hier vorgestellten Experimente, wurde das bestehende
Lasersystem weiterentwickelt und ein zus¨atzliches System
aufgebaut. Zudem wurde der optische Resonator und dessen
Stabilisierung den Anforderungen der Resonator-QED-Experimente
angepasst. Um Aufladungen dielektrischer Materialien in der
Fallenumgebung zu vermeiden, wurde die Photoionisation von
Kalziumatomen implementiert und die Abh¨angigkeit der Ladeezienz
von den Laserparametern bestimmt. Da aufgrund der reichhaltigen
Niveaustruktur von 40Ca+-Ionen eine Vielzahl von Eekten auftreten,
wurden die spektroskopischen Eigenschaften von 40Ca+-Ionen
detailiert vermessen. Dazu geh¨ort neben den Anregungsspektren die
Messung der Lebensdauer des D5/2 -Niveaus und die genaue
Untersuchung des Hanle-Eekts zur Magnetfeld- Kompensation. Im
Rahmen dieser Arbeit wurde zudem die g(2)-Funktion der Fluoreszenz
des Ions studiert. Auch die Ergebnisse dieser Messung spiegeln die
komplexe Niveau-Struktur des Ions wieder. Da die Lokalisierung der
Ionen in der Falle von großer Bedeutung ist und diese nur durch
Laserk¨uhlung der Ionen in der Falle optimiert werden kann, wurde
das Verhalten von 40Ca+-Ionen bei Dopplerk¨uhlung genauer
untersucht. Neben dem K¨uhlen der Ionen ist auch die Mikrobewegung
des Ions in der Falle f¨ur dessen Lokalisierung von essenziellem
Interesse. Kombiniert man einen optischen Resonator mit einer
Ionenfalle, so treten aufgrund der Verzerrung des Fallenfeldes
Wechselwirkungen zwischen den Spiegeln und den Ionen auf, die zu
Mikrobewegung f¨uhren. Dieser Eekt wurde vermessen und mit
Simulationen des Fallenfeldes verglichen. Um die relative Lage des
Ions zur Resonatormode zu bestimmen, wurde ein einzelnes 40Ca+-Ion
als nanometrische Probe f¨ur das Resonatorfeld verwendet. Die
bisher vorliegenden Daten dieses Experiments wurden im Rahmen
dieser Arbeit erweitert und Eekte der Anregung auf die gemessene
Fluoreszenzverteilung untersucht. Die genannten Messungen und
Entwicklungen erm¨oglichten es letztendlich, Resonator-QED-Eekte
nachzuweisen. In dieser Arbeit wurde die stimulierte Emission
mehrerer und eines einzelnen Ions in die Resonatormode beobachtet.
Desweiteren konnte der Einfluss des Resonators auf die Lebensdauer
des P1/2 - Niveau demonstriert werden. Auf der mit diesem
Experiment geschaenen Basis ist es gelungen, eine besonders
interessante Vorhersage der Resonator-QED zu realisieren, die
kontrollierte Erzeugung einzelner Photonen im Dauerbetrieb. Dabei
konnte eine Einzel- Photonenemissions-Wahrscheinlichkeit pro
Pumppuls von 8 % erreicht werden. Diese neuartige Lichtquelle wurde
im Rahmen dieser Arbeit sowohl theoretisch als auch experimentell
intensiv untersucht. Die statistischen Eigenschaften der
emittierten Photonen wurden gemessen, und die Erzeugung
verschiedener zeitlicher Pulsprofile konnte demonstriert werden.