Experimente zur Realisierung eines optischen Frequenznormals auf der Basis eines einzelnen Indium-Ions

Die Spektroskopie eines verbotenen optischen Übergangs eines
einzelnen Ions verspricht ein optisches Frequenznormal mit einer
Genauigkeit im Bereich von 10^(-18) zu ermöglichen. Die
Vorraussetzungen dafür sind neben außergewöhnlich geringen
systematischen Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs ein
hohes Maß an Kontrolle der Bewegung des Ions, realisiert durch die
Speicherung und Laserkühlung in einer Quadrupolfalle und die daraus
resultierende, praktisch unbegrenzte Beobachtungszeit. Diese Arbeit
beschreibt Experimente im Hinblick auf die Realisierung eines der
aussichtsreichsten Kandidaten für ein optisches Frequenznormal,
einem gespeicherten Indium-Ion. Zunächst wird in Kapitel 2 das
Konzept der Indium-Uhr, der bisher experimentell erreichte Stand
der Spektroskopie, mit einer relativen Auflösung von 10^(-13), und
eine Abschätzung der limitierenden Verschiebungen des 1S0-3P0
Referenzübergangs dargestellt. Kapitel 3 führt danach in das
Prinzip der Speicherung und die konkrete Umsetzung im
In+-Experiment ein, behandelt dabei auftretende Probleme und
liefert mögliche Lösungen. In Kapitel 4 wird eine neu
implementierte Methode der Photoionisation von Indium-Atome
vorgestellt, die mit nur einem Laser bei 410 nm über eine
Zweiphotonen-Anregung zur Ionisierung führt. Gegenüber der bislang
verwendeten Elektronenstoßmethode konnte damit die
Ionisierungseffizienz um zwei Größenordnungen gesteigert, und so
Probleme, die einen kontinuierlichen Betrieb des Frequenznormals
behindern, vermieden werden. Im Hinblick auf eine Erhöhung der
Mittelungszeit wurde ein kontinuierlich betreibbares
Kühllasersystem aufgebaut, das in Kapitel 5 beschrieben wird. Ein
gitterstabilisierter Diodenlaser bei 922 nm wird zunächst in seiner
Frequenz auf unter 100 Hz relativ zu einem Referenzresonator
stabilisiert. Nach dem Durchgang durch einen frequenztreuen
Trapezverstärker werden danach in einer ersten Frequenzverdopplung
mit Hilfe eines periodisch gepolten KTP-Kristalls mehr als 200 mW
blaues Licht bei 461 nm erzeugt. Eine zweite Frequenzverdopplung
mit BBO führt nachfolgend zu etwa 1 mW bei 231 nm, der Wellenlänge
des 1S0-3P1 Kühlübergangs von In+. Neben der demonstrierten Nutzung
im Indium-Experiment bietet sich dieses System durch seine große
Leistung im blauen Spektralbereich, die weite Durchstimmbarkeit und
die hohe Frequenzstabilität für viele Anwendungen in der Atomphysik
und Quantenoptik an. Kapitel 6 beschreibt Ergebnisse der
Seitenbandkühlung, für deren Umsetzung Indium ein einzigartiges
Modellsystem darstellt. Anhand einer spektroskopischen
Temperaturbestimmung in optisch-optischer Doppelresonanz wird die
praktisch erreichte Grundzustandskühlung bestätigt. Es ergibt sich
eine Temperatur unterhalb von 300 muK, entsprechend einer Amplitude
der Säkularbewegung von unter lambda/10. Durch die zusätzliche
Kontrolle der Mikrobewegung unter lambda/20 sind insgesamt relative
Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs aufgrund einer
Bewegung des Ions im Bereich von 10^(-18) zu erwarten. Die
Mikrobewegung besitzt einen starken Einfluss auf die Kühldynamik,
der in einem erweiterten Modell der Seitenbandkühlung semiklassisch
beschrieben wird. Es ergibt sich die verblüffende Situation, dass
eine Kühlung auch für Laserfrequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz
des ruhenden Ions möglich ist. Kühlrate und Einfangbereich dieser
Kühlung werden simuliert. Die präzise Kontrolle der zusätzlichen
Mikrobewegung erlaubt eine Prüfung der Vorhersagen im Experiment.
Durch Spektroskopie am Kühlübergang konnte eine effektive Kühlung
bei positiver Laserverstimmung experimentell demonstriert werden.