Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

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