Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

4.1. Methoden zur Laserkhlung gespeicherter Atome 25
Abbildung 4.1. Dopplerkhlen: Die linke Kurve gibt die Absorptionswahrscheinlichkeit in
Abhngigkeit der Laserverstimmung an. Die rechte Kurve zeigt die Khlkraft
als Funktion des Laserverstimmung. In der Resonanz ist die Kraft
null und wechselt ihr Vorzeichen, d.h. aus Khlen wird Heizen.
Impulsbertrag auf das Atom im Mittel ber viele Zyklen. Damit verbleibt also ein Nettoimpulsbertrag
entgegen der Bewegungsrichtung durch die Absorption. Man kann daher Laserkhlen,
wenn man eine Bevorzugung der Absorption erzwingen kann, die der Bewegung des Atoms
entgegengerichtet ist. Dazu nutzt man den Dopplereffekt aus. Man betrachte ein Ensemble freier
Atome mit einem 2-Niveausystem, wobei die Frequenz des bergangs zwischen Grundzustand
und angeregtem Zustand ω 0 sei. Strahlt man nun einen Laser um δ rotverstimmt bezglich der
atomaren Resonanzfrequenz ein, d.h. ω Laser − δ < ω 0 , so ist die Wahrscheinlichkeit fr die
Absorption eines Photons aus dem Laserstrahl durch Atome, die sich entgegengesetzt zum Laserstrahl
bewegen, hher als fr solche, die sich in Laserrichtung bewegen. Die Absorptionswahrscheinlichkeit
(im Ruhesystem des Atoms) ist dabei durch ein Lorentzprofil gegeben, dessen
Breite der natrlichen Linienbreite Γ des Khlbergangs entspricht. Aufgrund der Geschwindigkeit,
mit der sich Atome bewegen, sehen sie eine verschobene Laserfrequenz, d.h. Atome mit
einer bestimmten Geschwindigkeit −→ v 0 , fr die gilt −→ k · −→ v 0 = ω Laser − ω Atom , sehen den Laser
resonant. Fr alle Atome mit einer geringeren Geschwindigkeit als −→ v 0 , ist die Lichtkraft eine
Khlkraft, fr die anderen eine Heizkraft. Die Absorptionswahrscheinlichkeit ist fr Atome, die
sich entgegengesetzt zum Laserstrahl bewegen hher als fr die, die sich in Laserrichtung bewegen.
Danach dominiert also der Khlprozess. Die Situation ist in Abb. 4.1 dargestellt. Die Atome
nehmen bei der Absorption mit (ω Laser − δ) weniger Energie auf als sie im Mittel mit ω 0
abstrahlen, d.h. ihre kinetische Energie reduziert sich und sie werden abgebremst. Je weiter
die Atome jedoch gekhlt werden, um so weniger Atome erfllen die Bedingung fr Khlen. Die
richtige Verstimmung ist nur fr eine bestimmte Geschwindigkeitsklasse erfllt, nach dem Khlen
fallen die Atome aber in eine andere Klasse. Die gewhlte Verstimmung des Lasers bestimmt
daher auch die erreichbare Endtemperatur. Da man zu Beginn jedoch besonders die heissen
Atome khlen mchte, sollte man nicht die Verstimmung whlen, die fr die niedrigste Endtemperatur
optimal wre. Deshalb sollte man die Verstimmung abhngig von der Energie der Teilchen
whrend des Khlprozesses verndern, um alle Teilchen effektiv zu khlen und dennoch die mini-