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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87929
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8792/


Ultracold Gases in Strong Light Fields of Femtosecond Laser Pulses

Ultrakalte Gase in starken Lichtfeldern von Femtosekunden-Laserpulsen

Ruff, Bernhard

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SWD-Schlagwörter: Quantenphysik , Atomphysik , Rubidium , Ionisation , Femtosekundenlaser , Ultrakaltes Atom , Alkalimetall , Mehrphotonenionisation , Fotoionisation
Freie Schlagwörter (Deutsch): Starkfeld-Ionisation
Basisklassifikation: 33.23 , 33.05 , 33.38
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Drescher, Markus (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 04.05.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 06.11.2017
Kurzfassung auf Englisch: Fundamental questions in quantum physics can be addressed by local ionization of quantum
gases. In the strong field of ultrashort light pulses an ultracold atomic cloud can be ionized
granting access to the physics of open quantum systems and hybrid atom-ion systems. Analyzing the ionization fragments allows investigating the transfer of coherence from a macroscopic quantum mechanical state to its microscopic constituents.

In this work ultracold 87Rb atoms are locally ionized using femtosecond laser pulses of 220 fs pulse duration. The atom loss after a laser pulse is connected to the ionization probability which is quantified using absorption imaging. The experimental results are in good agreement with our theoretical model that combines two-photon and over-the-barrier ionization. In addition, the measurements suggest that the ions interact with the ultracold environment forming a hybrid system. The transient optical dipole force that femtosecond laser pulses exert on the atoms has been characterized.

Accessing the transfer of coherence from a Bose-Einstein condensate (BEC) to photoelectrons requires a new experimental setup: Electrons being created by femtosecond laser pulses in two distinct locations of the condensate are detected using position sensitive detectors with single particle sensitivity. Such an experiment is technically challenging as the requirements with respect to background pressure in the vacuum system, detection efficiency for charged particles and control of stray electric and magnetic fields are very strict. An ultrahigh vacuum system accommodating the ultracold atomic cloud as well as the detectors has been built. The atoms can be transfered from the newly built hybrid trap to the interaction region by means of optical transport that has been developed in the course of this work. In addition, the optics to create two adjacent and diffraction-limited foci is characterized. Ionization fragments are sensitive to stray magnetic fields, therefore, an active compensation system is has also been constructed.
Kurzfassung auf Deutsch: Fundamentale Fragestellungen der Quantenphysik können mittels lokaler Ionisation von Quantengasen adressiert werden. In starken Feldern ultrakurzer Lichtpulse werden ultrakalte, atomare Wolken ionisiert und ermöglichen so den Zugang zur Physik der offenen Quantensysteme und der hybriden Atom-Ion Systeme. Die Analyse der Ionisationsfragmente erlaubt die Untersuchung des Kohärenztransfers von einem makroskopischen, quantenmechanischen Zustand auf seine mikroskopischen Bestandteile.

In dieser Arbeit werden ultrakalte 87Rb Atome mit Hilfe von Femtosekunden-Laserpulsen mit einer Pulsdauer von 220 Femtosekunden lokal ionisiert. Der Verlust von Atomen nach einem Laserpuls hängt eng mit der Ionisationswahrscheinlichkeit zusammen, die hier quantitativ mit Hilfe von Absorptionsabbildungen vermessen wurde. Die experimentellen Ergebnisse stimmen gut mit unserem theoretischen Model überein, dasZwei-Photonen- und ‚over-the-barrier‘- Ionisation berücksichtigt. Zusätzlich, deuten die Messungen darauf hin, dass die Ionen mit ihrer ultrakalten Umgebung wechselwirken und ein Hybridsystem bilden. Die transiente optische Dipolkraft, die ein Femtosekunden-Laserpuls auf die Atome ausübt wurde ebenfalls charakterisiert.

Zugänglich wird der Kohärenztransfer von einem Bose-Einstein Kondensat (BEC) auf Photoelektronen durch einen neuen experimentellen Aufbau: Einzelne Elektronen, die von femtosekunden Laserpulsen an zwei getrennten Orten des Kondensats erzeugt werden, lassen sich mit hocheffizienten, ortsauflösenden Detektoren nachweisen. Ein solches Experiment birgt viele technische Herausforderungen, da die Anforderungen in Hinblick auf den Hintergrunddruck des Vakuumsystems, die Nachweiseffizienz für geladene Teilchen und die Kontrolle elektrischer sowie magnetischer Streufelder sehr hoch sind. Zunächst wurde ein Ultrahochvakuum-System aufgebaut, dass die ultrakalte atomare Wolke sowie die Detektoren beherbergt. Die Atome können durch einen optischen Transport, der im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, von der neu gebauten Hybridfalle zur Wechselwirkungszone bewegt werden. Zusätzlich wurde die Optik zur Erzeugung von zwei benachbarten und beugungsbegrenzten Fokussen charakterisiert. Da Ionisationsfragmente empfindlich auf magnetische Streufelder reagieren, wurde außerdem ein System zur aktiven Kompensation realisiert.

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