Effizientes Vierwellenmischen durch Ausnutzen von Resonanzen in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kohärente, kontinuierliche Strahlungsquelle im vakuum-ultravioletten (VUV) Spektrum vorgestellt. Sie basiert auf einem Vierwellenmischprozess in Quecksilberdampf mit Fundamentalstrahlen bei 253,7 nm, 407,9 nm und 545,5 nm Wellenlänge. Diese fundamentalen Strahlen werden durch frequenzverdoppelte bzw. frequenzvervierfachte Festkörperlasersysteme bereit gestellt. Durch das Ausnutzen der 6^1S-7^1S Zweiphotonenresonanz und zusätzlich der 6^1S-6^3P Einphotonenresonanz kann der Vierwellenmischprozess deutlich effizienter betrieben werden als zuvor. Eine nahe Einphotonenresonanz verringert die optimale Phasenanpassungstemperatur des Vierwellenmischprozesses, wodurch Druck- und Stoßverbreiterungen des Quecksilbers verkleinert und damit der nichtlineare Prozess effizienter wird. So können Leistungen bis zu 0,3 nW bei 121,56 nm, dem 1S-2P Lyman-alpha Übergang von Wasserstoff, erzeugt werden. Diese Lyman-alpha Quelle soll für die zukünftige Laserkühlung von Antiwasserstoff genutzt werden. rnrnNeben der Generierung von Strahlung bei Lyman-alpha kann, durch Veränderung der dritten Fundamentalwellenlänge, auch Strahlung in der Nähe zu einer Einphotonresonanz im VUV bei dem 6^1S-12^1P Übergang in Quecksilber durch Vierwellenmischen erzeugt werden. Durch diese weitere Einphotonresonanz kann die nichtlineare Suszeptibilität, verantwortlich für das Vierwellenmischen, stark vergrößert werden, ohne Einfluss auf die Phasenanpassung zu haben. Damit lässt sich der Mischprozess um drei Größenordnungen effizienter gestalten und Leistungen von 6 µW im VUV konnten realisiert werden. Dies entspricht einer Leistungsteigerung um einen Faktor 30 im Vergleich zu früheren Quellen. rnrnDarüberhinaus konnte die Zweiphotonenresonanz in Quecksilber ausführlich untersucht werden. Man erhält bei kleinen Rabifrequenzen der Fundamentalstrahlen eine geschwindigkeitsselektive Doppelresonanz, die den gleichen Ursprung wie Dunkelresonanzen in Lambda-Systemen hat. Bei hohen Rabifrequenzen kann die Anregung in das Zweiphotonenniveau so stark werden, dass auf dem 7^1S-6^1P Übergang ein Laserprozess initiiert wird. Dieser Prozess wurde hier zum ersten Mal mit kontinuierlichen Fundamentallasern nachgewiesen. Es wird gezeigt, dass der zusätzliche Laserprozess das Vierwellenmischen nicht beeinträchtigt.

A continuous, coherent radiation source in the vacuum ultraviolet spectral region is presented. It is based on four-wave-mixing in mercury vapor with fundamental beams at 253.7 nm, 407.9 nm und 545.5 nm wavelength. The fundamental beams are produced by frequency doubling and quadrupling of beams from solid-state laser-systems respectively. Due to the 6^1S-7^1S two-photon resonance and additionally the 6^1S-6^3P one-photon resonance the efficiency can be increased compared to former sources. A near one-photon resonance reduces the optimal phasematching temperature of the four-wave-mixing process. This leads to smaller Doppler and pressure broadening resulting in a higher four-wave-mixing efficiency. A maximum power of 0.3 nW at 121.56 nm wavelength, the 1S-2P Lyman-alpha transition in hydrogen, can be obtained. This Lyman-alpha source is needed for future laser cooling of antihydrogen. rnrnApart from the Lyman-alpha generation, four-wave-mixing with a slightly different third fundamental wavelength results in radiation near a one-photon resonance in the VUV at the 6^1S-12^1P transition in mercury. Due to this additional one-photon resonance the nonlinear susceptibility, responsible for the four-wave-mixing, can be strongly increased without an influence on the phasematching. With such a mixing process the efficiency can be enlarged by three orders of magnitude and powers up to 6 µW in the VUV could be realised. This is an improvement of a factor of 30 to former laser sources in this VUV regime.rnrnFurthermore the two-photon resonance of mercury could be investigated in detail. We observed a velocity-selective double resonance at small Rabi frequencies of the fundamental beams, which has the same origin as dark resonances in Lambda-systems. At high Rabi frequencies excitation to the two-photon level can be high enough to initiate a laser process on the 7^1S-6^1P transition. This process could be observed with continuous-wave fundamental lasers for the first time. It can be shown that the additional laser process does not limit the four-wave-mixing efficiency.