Untersuchungen an gespeicherten 40 Ca +-Ionen in einer linearen Paulfalle

In Experimenten an lasergekühlten, in einer linearen Paulfalle gespeicherten $Ca^+$-Ionen wurde dieLebensdauer des metastabilen $3D_{5/2}$-Niveaus durch Beobachtung von Quantensprüngen einzelner Ionen zu 1100(18)msbestimmt. Systematische Fehler durch quenchende Stöße oder Stark-Mischen durch das Speicherfeld liegen unterhalb dererreichten Genauigkeit. Abweichungen von früheren Messungen konnten durch eine vernachlässigte Abhängigkeit derLebensdauer von der Laserleistung des Rückpumplasers erklärt werden. Das Endergebnis zeigt gute Übereinstimmung mitneueren theoretischen Werten. In weiteren Messungen an zehn Ionen wurde in einigen Messreihen eine deutliche Reduktionder Lebensdauer gegenüber einem einzelnen Ion festgestellt. Dabei wurden mehr koinzidente Zerfälle von zwei und dreiIonen beobachtet als für unabhängige Teilchen zu erwarten. In einem Ionenkristall wurde eine räumliche Trennung atomarer Zustände erreicht. Dabei wurde ein Teil der Ionen einesKristalls aus einigen hundert Ionen in den metastabilen Zustand gepumpt, der von den Kühllasern vollständig entkoppeltist. Durch sympathetische Kühlung werden diese Ionen weiterhin gekühlt und der Kristall schmilzt nicht. Durch denLichtdruck, den die Kühllaser ausgeüben, werden die Ionen nach atomaren Zuständen sortiert, weil die lasergekühltenIonen einen Rückstoß erfahren, die übrigen aber nicht. Für zukünftige Experimente wurden Verbesserungen des experimentellen Aufbaus auf den Weg gebracht. So wurden Methodenund Komponenten für eine verbesserte Frequenzstabilisierung der Diodenlaser entwickelt.

Einfluss der 6 1 S - 6 3 P-Resonanz auf die Lyman-alpha-Erzeugung in Quecksilber

In dieser Arbeit wird eine kontinuierliche, kohärente Strahlungsquelle bei 121,56nm, der Lyman-alpha Linie in Wasserstoff, vorgestellt. Diese Lyman-alpha Quelle soll zur zukünftigen Laserkühlung von Antiwasserstoff dienen. Die Strahlung wird durch Vier-Wellen-Mischen in Quecksilberdampf produziert. Dabei wird ein Festkörperlasersystem zur Erzeugung der Fundamentalstrahlen eingesetzt. Zur Erhöhung der nichtlinearen Suszeptibilität wird die 6^1S-7^1S Zwei-Photonen-Resonanz ausgenutzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines durchstimmbaren ultravioletten Lasersystems die 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz genutzt, was es erlaubt, die nichtlineare Suszeptibilität des Mischprozesses um Größenordnungen zu erhöhen. Um den Einfluss der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz zu untersuchen, wurden zunächst die Phasenanpassungstemperaturen bei verschiedenen Verstimmungen der ultravioletten Strahlung zur 6^3P Resonanz vermessen und festgestellt, dass kleinere Verstimmungen zu niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen führen. Es konnte sowohl theoretisch wie auch experimentell gezeigt werden, dass diese niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen bei kleinen Verstimmungen der Erhöhung der Lyman-alpha Erzeugung durch die größere nichtlineare Suszeptibilität bei kleinen Verstimmungen entgegenwirken. Bei immer kleineren Verstimmungen zur 6^3P Resonanz limitiert die Absorption der ultravioletten Strahlung die Lyman-alpha Erzeugung. Ein positiver Effekt der niedrigeren Phasenanpassungstemperaturen ist, dass es möglich wird, auf das bisher nötige Puffergas in der Quecksilber-Dampfzelle zu verzichten, was die Lyman-alpha Erzeugung um einen Faktor 1,7 erhöht. Damit war es möglich, die bisherige Effizienz der Lyman-alpha Erzeugung zu verbessern. Es wurde eine Lyman-alpha Leistung von 0,3nW erreicht. Zusätzlich zum Einfluss der 6^3P Resonanz auf die Lyman-alpha Erzeugung wurde ein weiterer Effekt beobachtet. Durch die Nähe der 6^1S-6^3P Ein-Photon-Resonanz wird auch mehr Besetzung in das obere 7^1S Niveau der Zwei-Photonen-Resonanz gepumpt. Dadurch konnte erstmals eine kontinuierliche Lasertätigkeit auf der 6^1P-7^1S Linie in Quecksilber bei 1014nm beobachtet werden.

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.

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.

Collective effects in light scattering from cold strontium clouds

A cold atomic cloud is a versatile object, because it offers many handles to control and tune its properties. This facilitates studies of its behavior in various circumstances, such as sample temperature, size and density, composition, dimensionality and coherence time. The range of possible experiments is constrained by the specifications of the atomic species used. In this thesis presents the work done in the experiment for laser cooling of strontium atoms, focusing on its stability, which should provide cold and ultracold samples for the study of collective effects in light scattering. From the initial apparatus, innumerous changes were performed. The vacuum system got improved and now reached lower ultra high vacuum due to the pre-baking done to its parts and adding a titanium-sublimation stage. The quadrupole trap were improved by the design and construction of a new pair of coils. The stability of the blue, green and red laser systems and the loss prevention of laser light were improved, giving rise to a robust apparatus. Another important point is the development of homemade devices to reduce the costs and to be used as a monitor of different parts of an cold atoms experiment. From this homemade devices, we could demonstrate a dramatic linewidth narrowing by injection lock of an low cost 461 nm diode laser and its application to our strontium experiment. In the end, this improved experimental apparatus made possible the study of a new scattering effect, the mirror assisted coherent back-scattering (mCBS).

Condensed-phase optical refrigeration

We review progress on laser cooling of solids. The general process that enables cooling to occur is based on anti-Stokes fluorescence. Candidate materials for laser cooling are discussed, including gases, dyes, crystals, semiconductors, and ionically doped glasses. Cooling processes and necessary conditions for cooling are outlined, and general thermodynamic limitations are discussed. This is followed by a more detailed discussion of one specific material, ytterbium-doped ZBLAN, with consideration given to optimization of the laser cooling process and applications. (C) 2003 Optical Society of America.

Nonlinear optical effects manifested by electromagnetic induced transparency in cold atoms

This dissertation reports experimental studies of nonlinear optical effects manifested by electromagnetically induced transparency (EIT) in cold Rb atoms. The cold Rb atoms are confined in a magneto-optic trap (MOT) obtained with the standard laser cooling and trapping technique. Because of the near zero Doppler shift and a high phase density, the cold Rb sample is well suited for studies of atomic coherence and interference and related applications, and the experiments can be compared quantitatively with theoretical calculations. It is shown that with EIT induced in the multi-level Rb system by laser fields, the linear absorption is suppressed and the nonlinear susceptibility is enhanced, which enables studies of nonlinear optics in the cold atoms with slow photons and at low light intensities. Three independent experiments are described and the experimental results are presented. First, an experimental method that can produce simultaneously co-propagating slow and fast light pulses is discussed and the experimental demonstration is reported. Second, it is shown that in a three-level Rb system coupled by multi-color laser fields, the multi-channel two-photon Raman transitions can be manipulated by the relative phase and frequency of a control laser field. Third, a scheme for all-optical switching near single photon levels is developed. The scheme is based on the phase-dependent multi-photon interference in a coherently coupled four-level system. The phase dependent multi-photon interference is observed and switching of a single light pulse by a control pulse containing ∼20 photons is demonstrated. These experimental studies reveal new phenomena manifested by quantum coherence and interference in cold atoms, contribute to the advancement of fundamental quantum optics and nonlinear optics at ultra-low light intensities, and may lead to the development of new techniques to control quantum states of atoms and photons, which will be useful for applications in quantum measurements and quantum photonic devices.

Nonlinear optics with cold Rb atoms using tapered optical nanofibres

Optical nanofibres (ONFs) are very thin optical waveguides with sub-wavelength diameters. ONFs have very high evanescent fields and the guided light is confined strongly in the transverse direction. These fibres can be used to achieve strong light-matter interactions. Atoms around the waist of an ONF can be probed by collecting the atomic fluorescence coupling or by measuring the transmission (or the polarisation) of the probe beam sent through it. This thesis presents experiments using ONFs for probing and manipulating laser-cooled 87Rb atoms. As an initial experiment, a single mode ONF was integrated into a magneto-optical trap (MOT) and used for measuring the characteristics of the MOT, such as the loading time and the average temperature of the atom cloud. The effect of a near-resonant probe beam on the local temperature of the cold atoms has been studied. Next, the ONF was used for manipulating the atoms in the evanescent fields region in order to generate nonlinear optical effects. Four-wave mixing, ac Stark effect (Autler-Townes splitting) and electromagnetically induced transparency have been observed at unprecedented ultralow power levels. In another experiment, a few-mode ONF, supporting only the fundamental mode and the first higher order mode group, has been used for studying cold atoms. A higher pumping rate of the atomic fluorescence into the higher order fibreguided modes and more interactions with the surrounding atoms for higher order mode evanescent light, when compared to signals for the fundamental mode, have been identified. The results obtained in the thesis are particularly for a fundamental understanding of light-atom interactions when atoms are near a dielectric surface and also for the development of fibre-based quantum information technologies. Atoms coupled to ONFs could be used for preparing intrinsically fibre-coupled quantum nodes for quantum computing and the studies presented here are significant for a detailed understanding of such a system.

Formation of helical ion chains

We study the nonequilibrium dynamics of the linear to zigzag structural phase transition exhibited by an ion chain confined in a trap with periodic boundary conditions. The transition is driven by reducing the transverse confinement at a finite quench rate, which can be accurately controlled. This results in the formation of zigzag domains oriented along different transverse planes. The twists between different domains can be stabilized by the topology of the trap and under laser cooling the system has a chance to relax to a helical chain with nonzero winding number. Molecular dynamics simulations are used to obtain a large sample of possible trajectories for different quench rates. The scaling of the average winding number with different quench rates is compared to the prediction of the Kibble-Zurek theory, and a good quantitative agreement is found.

Atom cooling using the dipole force of a single retroreflected laser beam

We present a mechanism for cooling atoms by a laser beam reflected from a single mirror. The cooling relies on the dipole force and thus in principle applies to arbitrary refractive particles including atoms, molecules, or dielectric spheres. Friction and equilibrium temperatures are derived by an analytic perturbative approach. Finally, semiclassical Monte-Carlo simulations are performed to validate the analytic results.

Pulsed laser surface treatment of magnesium alloy: Correlation between thermal model and experimental observations

The effect of deposition of Al +Al2O3 on MRI 153 M Mg alloy processed using a pulsed Nd:YAG laser is presented in this study. A composite coating with metallurgical joint to the substrate was formed. The microstructure and phase constituents were characterized and correlated with the thermal predictions. The laser scan speed had an effect on the average melt depth and the amount of retained and/or reconstituted alumina in the final coating. The coating consisted of alumina particles and highly refined dendrites formed due to the extremely high cooling rates (of the order of 10(8) K/s). The microhardness of the coating was higher and several fold improvement of wear resistance compared to the substrate was observed for the coatings. These microstructural features and physical properties were correlated with the effects predicted by a thermal model.

Spinodal Decomposition in Tellurite-Based Glasses Induced by Excimer Laser Irradiation

Tellurite-based glasses in the TeO2-K3Li2Nb5O15, TeO2-Ba5Li2Ti2Nb8O30, and V2Te2O9 were fabricated by the conventional melt-quenching technique. Amorphous and glassy characteristics of the as-quenched samples were established via the X-ray powder diffraction technique and differential thermal analysis, respectively. The as-quenched samples were irradiated by an excimer laser (248 nm). The effect of laser power, duration of irradiation, and the frequency of the laser pulses on the surface features of the above glasses were studied. The optical microscopic studies carried out on the above systems revealed the presence of quasi-periodic and periodic structures on their surfaces. The local compositional variations of these structures were confirmed by back-scattered electron imaging using scanning electron microscope accompanied by energy-dispersive X-ray analysis. These results were convincing enough to state that the glasses in the present investigations had undergone spinodal decomposition on laser irradiation. The incidence of the interconnected texture of two different phases was observed owing to the quenching effect produced by the heating and cooling cycle of the successive laser pulses. Ring- and line-shaped patterns were also observed, respectively, when the pulse frequency of the laser and the duration of irradiation were increased.

Three-dimensional computational modeling of momentum, heat, and mass transfer in a laser surface alloying process

A three- dimensional, transient model is developed for studying heat transfer, fluid flow, and mass transfer for the case of a single- pass laser surface alloying process. The coupled momentum, energy, and species conservation equations are solved using a finite volume procedure. Phase change processes are modeled using a fixed-grid enthalpy-porosity technique, which is capable of predicting the continuously evolving solid- liquid interface. The three- dimensional model is able to predict the species concentration distribution inside the molten pool during alloying, as well as in the entire cross section of the solidified alloy. The model is simulated for different values of various significant processing parameters such as laser power, scanning speed, and powder feedrate in order to assess their influences on geometry and dynamics of the pool, cooling rates, as well as species concentration distribution inside the substrate. Effects of incorporating property variations in the numerical model are also discussed.

Characterization of microstructure in laser-surface-alloyed layers of aluminum on nickel

In order to obtain basic understanding of microstructure evolution in laser-surface-alloyed layers, aluminum was surface alloyed on a pure nickel substrate using a CO2 laser. By varying the laser scanning speed, the composition of the surface layers can be systematically varied. The Ni content in the layer increases with increase in scanning speed. Detailed cross-sectional transmission electron microscopic study reveals complexities in solidification behavior with increased nickel content. It is shown that ordered B2 phase forms over a wide range of composition with subsequent precipitation of Ni2Al, an ordered omega phase in the B2 matrix, during solid-state cooling. For nickel-rich alloys associated with higher laser scan speed, the fcc gamma phase is invariably the first phase to grow from the liquid with solute trapping. The phase reorders in the solid state to yield gamma' Ni3Al. The phase competes with beta AlNi, which forms massively from the liquid. The beta AlNi transforms martensitically to a 3R structure during cooling in solid state. The results can be rationalized in terms of a metastable phase diagram proposed earlier. However, the results are at variance with earlier studies of laser processing of nickel-rich alloys.