Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD
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5.8. Der optische Nachweis 53<br />
etwa e<strong>in</strong>e natrliche L<strong>in</strong>ienbreite, d.h. auf ca. 20MHz, kennen. Das bedeutet, bei e<strong>in</strong>er optischen<br />
Frequenz von ca. 500THz bentigt man e<strong>in</strong>e Genauigkeit von ca. 10 −6 . Dies liegt <strong>in</strong>nerhalb der<br />
Mglichkeiten des Systems.<br />
Man hat also e<strong>in</strong> leistungsfhiges System, das man mit e<strong>in</strong>fachen Mitteln selbst bauen kann.<br />
Als Referenzlaser mu man dabei nicht auf die kommerziell erhltlichen, frequenzstabilisierten<br />
Helium-Neon-Laser zurckgreifen, die ja nicht ganz billig s<strong>in</strong>d, sondern man kann e<strong>in</strong>en Diodenlaser<br />
verwenden, den man mittels Sttigungsspektroskpie auf e<strong>in</strong>e atomare Referenz stabilisiert.<br />
Es gibt <strong>in</strong>zwischen auch e<strong>in</strong>e Reihe kommerziell erhltlicher Wavemeter mit vergleichbarer Leistungsfhigkeit.<br />
Diese s<strong>in</strong>d teilweise recht kompakt und daher auch portabel, aber deutlich teurer.<br />
Man kann e<strong>in</strong> solches System auch direkt zur Spektroskopie verwenden. So haben Banerjee et<br />
al. [17] die Fe<strong>in</strong>struktur<strong>in</strong>tervalle von Rubidium mit Hilfe e<strong>in</strong>es solchen Systems vermessen,<br />
bei dem der Referenzlaser auf mittels Sttigungsspektroskopie auf e<strong>in</strong>e Rubidiuml<strong>in</strong>ie stabilisiert<br />
war.<br />
5.8 Der optische Nachweis<br />
Der optische Nachweis ist so konzipiert, da man e<strong>in</strong>zelne <strong>Ionen</strong> ortsaufgelst detektieren und<br />
mglichst viel Licht sammeln kann. Um die dazu notwendige Effizienz zu erreichen, benutzt<br />
man e<strong>in</strong> kurzbrennweitiges L<strong>in</strong>sensystem mit groer numerischer Apertur, das mglichst nahe<br />
am Ort der <strong>Ionen</strong> positioniert wird. Die Optik ist so ausgelegt, da man die Fluoreszenz sowohl<br />
ortsaufgelst mit e<strong>in</strong>er ICCD-Kamera als auch mit e<strong>in</strong>em Photomultiplier detektieren kann. Zum<br />
Nachweis der Fluoreszenz der Ca + <strong>Ionen</strong> bietet sich wegen se<strong>in</strong>er hohen bergangsrate von ca.<br />
10 8 Photonen/s pro Ion der 4S 1/2 − 4P 1/2 -bergang an. Da die <strong>Ionen</strong> auch auf diesem bergang<br />
angeregt werden, kann die Fluoreszenz nicht <strong>in</strong> Laserrichtung detektiert werden. Deshalb wird<br />
sie senkrecht zum Laser nachgewiesen, um den Untergrund durch den Laser m<strong>in</strong>imal zu halten.<br />
Die Unterdrckung von anderen Lichtquellen wird durch e<strong>in</strong> Interferenzfilter erreicht, dessen<br />
maximale Transmission bei (397 ± 5) nm liegt. Die Abschwchung anderer Wellenlngen betrgt<br />
40 dB.<br />
In unserem Fall besteht die Abbildungsoptik aus zwei Teilen, e<strong>in</strong>em dreil<strong>in</strong>sigen Quarzkollimator<br />
(Zeiss 467275 f=18,9mm bei e<strong>in</strong>er Wellenlnge von 397nm, Numerische Apertur<br />
N.A.=0,25), der im Vakuum direkt ber der Falle mit e<strong>in</strong>em Abstand zur Fallenachse von 20(2)<br />
mm montiert ist, und e<strong>in</strong>er Optik auerhalb der Vakuumkammer, mit der man die notwendige<br />
Vergrerung e<strong>in</strong>stellen kann. Das im Vakuum bef<strong>in</strong>dliche Objektiv ist <strong>in</strong> e<strong>in</strong>er Halterung aus<br />
Edelstahl gefat und damit ausheizbar. Es erzeugt e<strong>in</strong> reelles Zwischenbild knapp oberhalb der<br />
Vakuumkammer. Als zweite Optik, die vergrert auf das Nachweisgert abbildet, wird zur Zeit e<strong>in</strong><br />
Mikroskopobjektiv ( Melles Griot Mikroskopobjektiv 6.3/0.20, Brennweite f = 22,5 mm, numerische<br />
Apertur N.A. = 0,20) verwendet. Se<strong>in</strong> Abstand kann mit Hilfe von Verschiebetischen<br />
variiert werden, Damit kann man die <strong>Ionen</strong> scharf auf den Detektor abbilden. Die Gesamtvergrerung<br />
des Abbildungssystems betrgt etwa 25, wobei zur anfnglichen Suche der <strong>Ionen</strong> e<strong>in</strong>e<br />
ger<strong>in</strong>gere Vergrerung gewhlt werden kann. Dazu mu allerd<strong>in</strong>gs die zweite L<strong>in</strong>se ausgetauscht<br />
werden, da der Abstand der Kamera zum Vakuumfenster aufgrund der Halterung fest ist. Abhngig<br />
vom durchgefhrten Experiment kann als Nachweisgert entweder e<strong>in</strong> Photomultiplier, der<br />
im s<strong>in</strong>gle photon count<strong>in</strong>g Modus betrieben wird, oder e<strong>in</strong>e <strong>in</strong>tensivierte CCD-Kamera - Lambert<br />
Instruments LI-µCAM - verwendet werden. Deren CCD-Chip hat 752 × 580 Pixel bei<br />
e<strong>in</strong>er Flche von 6.4 × 4.8mm 2 . Es ergibt sich e<strong>in</strong> theoretischer Abbildungsmastab von 750(63)<br />
nm/Pixel, wobei experimentell e<strong>in</strong> Pixel des CCD-chips 613(6) nm entspricht [178] wie aus e<strong>in</strong>er<br />
Kalibrierung hervorgeht. Die typischen Abstnde benachbarter <strong>Ionen</strong> liegen <strong>in</strong> der Grenordnung<br />
von 10 µm, somit erlaubt das System e<strong>in</strong>e ortsaufgelste Beobachtung von <strong>Ionen</strong>kristallen.