Quantentechnologie

Wir haben kürzlich Diodenlaser mit externem Resonator aufgebaut [1-3], dessen aktive Mode mittels eines Interferenzfilters selektiert wird. In einer ersten Messung der Frequenzstabilität mit einem Faser-Selbsthereodyn-Interferometer ergab sich eine außerordentlich geringe Linienbreite von wenigen 100 Hertz. Dieser überraschend gute Wert soll nun mit einer zweiten, zuverlässigeren Messmethode, der analyse des direkten optischen Schwebungssignals zweier unabhängiger Laser, überprüft werden. Sollte sich diese schmale Linienbreite bestätigen, wären diese Laser nicht nur für Anwendungen in unseren Experimente sehr interessant, sondern auch in laserphysikalischer Hinsicht.

Für unser neues Experiment zur Cavity-Quantenelektrodynamik in einem Faser-basierten optischen Resonator benötigen wir ein System aus "Locklaser" und Transfer-Resonator, mit dessen Hilfe wir die optische Resonanzfrequenz des Faser-Resonators sehr genau stabilisieren wollen. Dazu soll der Locklaser nach dem Pound-Drever-Hall-Verfahren  auf die Transfercavity stabilisiert werden, welche wiederum mittels Pound-Drever-Hall auf einen stabilen "Masterlaser" stabilisiert wird. Die Funktionsweise ist dabei angelehnt an ein ähnliches System eines älteren Experimentes unserer Arbeitsgruppe [1].

Zur automatischen Optimierung der Einkopplung eines Laserstrahls in eine optische single-mode-Glasfaser soll ein geeigneter Algorithmus auf einem Microcontroller [1] implementiert werden, der über eine Pulsweitenmodulationsschaltung preisgünstige Getriebemotoren steuert, welche den (oder die) Spiegelhalter zur Ausrichtung des Laserstrahls auf maximale Fasertransmission justieren. Damit soll für die entsprechend ausgerüsteten optischen  Aufbauten eine "Justage auf Knopfdruck" möglich gemacht und langfristig der tägliche Justageaufwand unseren komplexen Experimenten reduziert werden.

Driften und Schwankungen des Magnetfeldes verstimmen über den Zeemann-Effekt die Energieniveaux der Atome in unseren Experimenten, führen dadurch zu einer Dephasierung und letztlich zu einer unerwünschten Begrenzung der Kohärenzzeit. Um magnetische Störquellen im Labor aufzuspüren und gegebenenfalls aktiv gegenzuregeln wird ein präziser und rauscharmer Magnetfeldsensor benötigt. Hier sollen in Mikrochip-Form erhältliche Magnetfeldsensoren [1], die auf dem Riesenmagnetowiderstand (GMR-Effekt) beruhen, getestet werden und ihre Genauigleit, Stabilität, Frequenzbandbreite, ihr Rauschen und ihr Verhalten bei magnetischer Sättigung charakterisiert werden.

In unseren Experimenten werden Akusto-Optische Modulatoren (AOMs) vielfach zur schnellen und präzisen elektronisch gesteuerten Einstellung von Leistung und Frequenz von Laserstrahlen eingesetzt. Übliche AOMs benötigen zur optimalen Funktion einen Gaußschen Laserstrahl mit wohldefinierter Position und Größe der Strahltaille. Diese Strahlformung erfordert typischerweise je ein Teleskop aus 2 Linsen vor und hinter den AOM und somit einen erheblichen Justageaufwand. Hier soll nun ein kompakter Aufbau entwickelt werden, der einen Laserstrahl, der in einer polarisationserhaltenden optischen Glasfaser geführt wird, mittels einer geeigneten Auskoppellinse direkt optimal in den AOM fokussiert. Das gebeugte Licht soll möglichst effizient wieder in eine Glasfaser eingekoppelt werden. Damit soll eine weitgehende Verwendung von Glasfasern in den optischen Aufbauten unserer Experimente ermöglicht werden und so die Stabilität der Systeme verbessert werden.

Trapezverstärker (tapered amplifier, TA) sind Halbleiterbauteile, die einen Laserstrahl bis auf 1 - 2 Watt Leisung verstärken können, wodurch die Begrenzung der Leistung von single-mode-Diodenlasern auf < 200 mW überwunden werden kann. Hier sollen TA-Chips verschiedener Hersteller [1,2] mit Hilfe von vorhandenen Diodenlasern "geseeded" werden und auf ihre Eingenschaften hin untersucht werden (Verstärkung, Ausgangsleistung, Gain-Sättigung, Strahlprofil, spektrale Eigenschaften, ASE).