Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD
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4.1. Methoden zur Laserkhlung gespeicherter Atome 25<br />
Abbildung 4.1. Dopplerkhlen: Die l<strong>in</strong>ke Kurve gibt die Absorptionswahrsche<strong>in</strong>lichkeit <strong>in</strong><br />
Abhngigkeit der Laserverstimmung an. Die rechte Kurve zeigt die Khlkraft<br />
als Funktion des Laserverstimmung. In der Resonanz ist die Kraft<br />
null und wechselt ihr Vorzeichen, d.h. aus Khlen wird Heizen.<br />
Impulsbertrag auf das Atom im Mittel ber viele Zyklen. Damit verbleibt also e<strong>in</strong> Nettoimpulsbertrag<br />
entgegen der Bewegungsrichtung durch die Absorption. Man kann daher Laserkhlen,<br />
wenn man e<strong>in</strong>e Bevorzugung der Absorption erzw<strong>in</strong>gen kann, die der Bewegung des Atoms<br />
entgegengerichtet ist. Dazu nutzt man den Dopplereffekt aus. Man betrachte e<strong>in</strong> Ensemble freier<br />
Atome mit e<strong>in</strong>em 2-Niveausystem, wobei die Frequenz des bergangs zwischen Grundzustand<br />
und angeregtem Zustand ω 0 sei. Strahlt man nun e<strong>in</strong>en Laser um δ rotverstimmt bezglich der<br />
atomaren Resonanzfrequenz e<strong>in</strong>, d.h. ω Laser − δ < ω 0 , so ist die Wahrsche<strong>in</strong>lichkeit fr die<br />
Absorption e<strong>in</strong>es Photons aus dem Laserstrahl durch Atome, die sich entgegengesetzt zum Laserstrahl<br />
bewegen, hher als fr solche, die sich <strong>in</strong> Laserrichtung bewegen. Die Absorptionswahrsche<strong>in</strong>lichkeit<br />
(im Ruhesystem des Atoms) ist dabei durch e<strong>in</strong> Lorentzprofil gegeben, dessen<br />
Breite der natrlichen L<strong>in</strong>ienbreite Γ des Khlbergangs entspricht. Aufgrund der Geschw<strong>in</strong>digkeit,<br />
mit der sich Atome bewegen, sehen sie e<strong>in</strong>e verschobene Laserfrequenz, d.h. Atome mit<br />
e<strong>in</strong>er bestimmten Geschw<strong>in</strong>digkeit −→ v 0 , fr die gilt −→ k · −→ v 0 = ω Laser − ω Atom , sehen den Laser<br />
resonant. Fr alle Atome mit e<strong>in</strong>er ger<strong>in</strong>geren Geschw<strong>in</strong>digkeit als −→ v 0 , ist die Lichtkraft e<strong>in</strong>e<br />
Khlkraft, fr die anderen e<strong>in</strong>e Heizkraft. Die Absorptionswahrsche<strong>in</strong>lichkeit ist fr Atome, die<br />
sich entgegengesetzt zum Laserstrahl bewegen hher als fr die, die sich <strong>in</strong> Laserrichtung bewegen.<br />
Danach dom<strong>in</strong>iert also der Khlprozess. Die Situation ist <strong>in</strong> Abb. 4.1 dargestellt. Die Atome<br />
nehmen bei der Absorption mit (ω Laser − δ) weniger Energie auf als sie im Mittel mit ω 0<br />
abstrahlen, d.h. ihre k<strong>in</strong>etische Energie reduziert sich und sie werden abgebremst. Je weiter<br />
die Atome jedoch gekhlt werden, um so weniger Atome erfllen die Bed<strong>in</strong>gung fr Khlen. Die<br />
richtige Verstimmung ist nur fr e<strong>in</strong>e bestimmte Geschw<strong>in</strong>digkeitsklasse erfllt, nach dem Khlen<br />
fallen die Atome aber <strong>in</strong> e<strong>in</strong>e andere Klasse. Die gewhlte Verstimmung des Lasers bestimmt<br />
daher auch die erreichbare Endtemperatur. Da man zu Beg<strong>in</strong>n jedoch besonders die heissen<br />
Atome khlen mchte, sollte man nicht die Verstimmung whlen, die fr die niedrigste Endtemperatur<br />
optimal wre. Deshalb sollte man die Verstimmung abhngig von der Energie der Teilchen<br />
whrend des Khlprozesses verndern, um alle Teilchen effektiv zu khlen und dennoch die m<strong>in</strong>i-