Erzeugung vakuumultravioletter Strahlung durch Vierwellenmischen in einer Hohlfaser

In dieser Arbeit wird die Entwicklung und experimentelle Umsetzung einer kontinuierlichen, kohärenten Lichtquelle im vakuumultravioletten Wellenlängenbereich um 122 nm präsentiert. Diese basiert auf der nichtlinearen optischen Summenfrequenzmischung dreier Fundamentallaserstrahlen in einer mit Quecksilberdampf gefüllten Hohlfaser. Die Wellenlängen der fundamentalen Laser sind dabei an der Niveaustruktur des Quecksilbers orientiert, um eine mehrfach resonante Überhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität zu erreichen. Der transversale Einschluss der Lichtfelder in der Faser verlängert die Wechselwirkungszone mit dem nichtlinearen Medium um mehrere Größenordnungen gegenüber dem Regime fokussierter Strahlen und erlaubt so signifikante Steigerungen der Mischeffizienz.rnrnIm Zuge dieser Arbeit wurde neben einer umfassenden mathematischen Analyse des nichtlinearen Mischprozesses unter Einfluss der Fasercharakteristika eine Apparatur zur Erzeugung und Detektion vakuumultravioletter Strahlung entwickelt. Die Generierung ausreichend hoher Dampfdichten innerhalb des 50 µm durchmessenden Faserkerns konnten spektroskopisch nachgewiesen werden.rnrnDas erste erfolgreiche Summenfrequenzmischen zu 121,26 nm in der Faser wurde demonstriert. Die erzielten Mischeffizienzen sind bereits mit denen vergleichbar, welche unter Verwendung fokussierter Strahlen erreicht werden, obwohl eine Phasenanpassung in der Faser bisher nicht möglich war. Die Ergebnisse dieser Arbeit markieren damit einen wichtigen Schritt hin zu Leistungssteigerungen kohärenter, kontinuierlicher vakuumultravioletter Lichtquellen.rnrnEine solche Quelle wird für zukünftige Laserkühlung von magnetisch gefangenem Antiwasserstoff auf dem Lyman-Alpha Übergang, sowie die Rydberganregung von Calciumionen in einer Paulfalle zur Implementierung quantenlogischer Operationen benötigt.rnrnFerner hat eine Untersuchung der, für eine effiziente Konversion essentiellen, 6^1S_0 - 7^1S_0 Zwei-Photonen Resonanz in Quecksilber Hinweise auf eine bis dato experimentell nicht beobachtete, auf einer Mehr-Photonen Anregung beruhende Licht-induzierte Drift ergeben.

In this thesis, the development and experimental realization of a continuous, coherent light source in the vacuum ultraviolet wavelength domain around 122 nm is presented. It is based on the optical nonlinear sum-frequency generation of three fundamental laser beams within a mercury-vapor filled hollow core fiber. The choice of the fundamental wavelengths is based upon the level structure of mercury, to achieve a multi-resonant enhancement of the nonlinear susceptibility. The transverse confinement of the lightfields elongates the interaction region with the nonlinear medium by several orders of magnitude, giving rise to a significant increase of the mixing efficiency.rnrnApart from an extensive mathematical analysis of the nonlinear mixing process under the influence of the fiber characteristics, an apparatus for the generation and detection of vacuum ultraviolet radiation has been developed in the course of this thesis. Sufficiently high vapor densities have been established and spectroscopically investigated within the fibercore of 50 µm bore diameter.rnrnThe first successful sum-frequency generation to 121.26 nm inside the fiber was demonstrated. rnrnThe attained mixing efficiencies are already comparable to those achievable with focussed beams, although perfect phasematching of the process was so far not possible. Hence, the findings of this thesis mark an important step towards a power enhancement of coherent, continuous vacuum ultraviolet light sources.rnrnSuch a source will be essential for the future laser cooling of magnetically trapped antihydrogen on the Lyman-alpha transition and Rydberg excitation of calcium ions in a Paul trap for quantum logical operations.rnrnFurthermore, the investigation of the 6^1S_0 - 7^1S_0 two-photon transition in mercury, crucial for an efficient conversion, led to an evidence of a to date experimentally unobserved light induced drift, based on multi-photon excitation.