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Quantum technologies

Dieter Meschede's research group
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Master and Bachelor theses


  • T. Legrand
    Three-Dimensional Imaging of Single Atoms in an Optical Lattice via Helical Point-Spread-Function Engineering, (2022), Master thesisBibTeXPDF

    In this thesis, I present a novel technique enabling three-dimensional localization of single atoms in an optical lattice up to sub-micrometer precision over an enhanced depth of field from a single experimental image. It consists of changing the microscope’s response to a point source, the so-called point spread function (PSF), such that it has an azimuthally structured shape, performing a rigid rotation along the observation axis, the angle of which provides information about the axial position. This is done by imposing on the collected fluorescence light a phase modulation built up from a superposition of Laguerre-Gauss modes in the pupil plane by a spatial light modulator (SLM). I demonstrate this method using the DQSIM quantum gas microscope with an engineered double-helix-shaped PSF. As I show, this enables axial resolution at the level of the vertical lattice separation of 532 nm even at lower numerical apertures while preserving the lateral resolution, overcoming the limitations of retrieving the axial position through the defocus alone.

    In Chapter 1, I present the experimental setup of the DQSIM experiment in Chapter 2. I particularly address the aspects necessary for the understanding of the subsequent measurements, as well as my contributions to the setup. Chapter 3 is about my contributions to a deep horizontal lattice. In Chapter 4, I present the three-dimensional imaging of single atoms. I describe the technique of preparing atoms in a single plane, the concept of PSF, and the resolution limit. I then discuss existing methods of three-dimensional imaging, in particular the rotating PSFs. Finally, I present the experimental realization and the measurements performed. Chapter 5 draws a conclusion and gives an outlook to this thesis.


  • M. Saravanan
    Mode-Matched Fiber Fabry-Pérot Cavities for Quantum Technologies, (2020), Master thesisBibTeXPDF
  • F. Hemmann
    Aufbau und Vorbereitungen für Cavity-Ring-Down-Spektroskopie mit monolithischen Faserresonatoren, (2020), Bachelor thesisBibTeX

    Zu Beginn der Arbeit werden in Abschnitt 2.1 Funktionsweise und Besonderheiten von Faser-Fabry-Perot-Resonatoren erläutert. Eine Einführung in Cavity-Ring-Down-Spektroskopie und eine erste Abschätzung der Genauigkeit, welche in einem miniaturisierten CRDS-Experiment mit Faserresonatoren erreicht werden sollte, folgen in Abschnitt 2.2. Die neu entwickelten Designs für monolithische FFPR werden in Kapitel 3 eingeführt. In den Abschnitten 3.1 und 3.2 wird erläutert, wie hier bei stabiler und kompakter Bauweise die Ausrichtungsgenauigkeit der Faserspiegel gewährleistet werden kann. Anschließend wird das Herstellungsverfahren der monolithischen FFPR beschrieben (Abschnitt 3.3). Kapitel 4 wendet sich schließlich dem Aufbau zu, mit welchem CRDS mit monolithischen FFPR erprobt werden soll. In diesem Aufbau wird das Licht eines durchstimmbaren Lasers (Abschnitt 4.1) in den Resonator gekoppelt, dessen Reflexionssignal auf einem Oszilloskop betrachtet werden kann (Abschnitt 4.2). Zur Durchführung von Spektroskopie-Messungen wird der Resonator in einer Kammer platziert, die mit einem Gasgemisch aus Sauerstoff und Stickstoff gefüllt wird (Abschnitt 4.3). Eine experimentelle Erprobung von CRDS mit diesem Aufbau steht zum Zeitpunkt der Abgabe dieser Arbeit noch aus.

  • M. Ammenwerth
    Raman Imaging of Small Atomic Ensembles Inside an Optical Cavity, (2020), Master thesisBibTeXPDF

    In this thesis, I present fluorescence imaging of 87Rb atoms inside an optical cavity using the Raman imaging technique. The first part describes precision measurements of differential light shifts that occur during continuous Raman sideband cooling. The light shifts are caused by the optical repumper beam and modify the two-photon resonance of the Raman coupling. The cooling process is modeled by means of a three-level system that takes into account the Raman coupling and the repumping process. We find qualitative agreement between the estimated and the measured light shifts. In addition, we identified the optimum cooling parameters and confirmed that near ground-state cooling is achieved. We also observe that it is beneficial to detune the optical repumping beam away from resonance in order to suppress detrimental heating due to dipole-force fluctuations.

    The characterization of differential light shifts is subsequently used to optimize the fluorescence imaging of atoms inside the resonator. We implement Raman imaging which is based on detecting the repumper fluorescence during continuous Raman sideband cooling. The complexity of the parameter space is reduced via a two-photon feed-forward which maintains the resonance with the Raman cooling sideband when varying the repumper parameters. A new imaging system was installed in order to suppress spurious background light that was blinding the camera. The optimization of the fluorescence is discussed and a mean signal-to-noise ratio of about six is obtained for an exposure time of 1 s. Using the cavity-based atom detection we independently measure the probability that a single atom survives the exposure time. We obtain survival probabilities exceeding 80 % and lifetimes up to 55 s which are believed to be vacuum-limited. In conclusion, Raman imaging is successfully applied to image small atomic ensembles inside the resonator. This constitutes the first step towards photon storage experiments with multiple atoms.

    In addition, I present theoretical calculations regarding photon generation in an atom-cavity system. The shaping of the single-photon temporal wave function is discussed which is based on tailoring the corresponding control laser pulse. For sufficiently smooth temporal envelopes any pulse shape can be generated as long as the dynamics are adiabatic. We study the breakdown of the adiabatic approximation for our cavity parameters by means of numerical simulations and find that the photon generation fidelity drops when the characteristic pulse time approaches the inverse cavity linewidth. The control laser pulse with time-dependent Rabi frequency induces light shifts on the atomic levels. Thereby, a phase chirp is imprinted onto the generated photon which reduces the photon generation fidelity if no chirp-compensation is applied. As an alternative to chirp compensation via active phase modulation of the control laser beam, I present a mechanism for passive chirp compensation based on a bichromatic driving field. This scheme makes use of two optical frequency components that mutually cancel each others light shifts. Implementing the latter requires only a single amplitude modulator and no additional phase modulator.

    Theoretical work mostly describes photon generation by means of an atomic Λ-system with one electronic excited state. In real atoms there are, however, additional excited states present. The off-resonant coupling to several excited states can cause a destructive interference which reduces the photon emission efficiency for certain parameter choices. I presented a model of photon generation that takes into account a second degenerate cavity mode with orthogonal polarization and includes off-resonant couplings to multiple excited states. In this case, the off-resonant couplings can be exploited to tune the branching ratio of photon emission into the two degenerate orthogonal polarization modes of the cavity. Thereby, the photon emission can be guided into a balanced polarization superposition state. This provides means of maximizing the Bell state projection probability of entanglement distribution schemes.

  • S. Witt
    Machine Learning-Assisted Identification of Atom Positions in Two-Dimensional Optical Lattices, (2020), Bachelor thesisBibTeX

    This work presents an alternative method for analyzing EMCCD-microscopy images of two-dimensional quantum optical lattices, using neuronal networks to automate the recognition of lattice occupation states. We introduce a multi-step algorithm, whose overall performance as well as step-by-step performance is analyzed, and which is compared to several different architectures. Training the networks requires a large amount of training data with known lattice occupation states. These images are simulated by convolution of the experimentally estimated point spread function of the imaging system with the atomic distribution masks. The algorithm allows for an accuracy of up to 99.76 % on our simulated data.

  • L. Ahlheit
    Preparation of Small Atomic Ensembles in a Fiber Cavity, (2020), Master thesisBibTeXPDF

    In this work, I report on the imaging and preparation of small atomic ensembles inside our fiber cavity. In Chapter 2, non-destructive techniques for determining the number of atoms loaded into the mode of the cavity are presented. Fluorescence images obtained via Raman cooling imaging [35] are analyzed by means of atom position determination and fluorescence integration. Furthermore, a non-invasive and resource-efficient multi-atom loading technique, based on atom accumulation at the orthogonal lattice crossing under continuous transport, is proposed. The method is studied by a classical 1D numerical simulation in Chapter 3, to explore the parameter space and dynamics of this loading technique. In Chapter 4, the implementation of the novel loading technique is explained and measurement results are compared to the numerical findings. Finally, it is compared to two alternative loading methods and their spatial loading distributions are analyzed. The Appendix presents the procedure for the interferometric alignment of the focal points of the four aspheric lenses used to focus the dipole trap beams and to image the trapped atoms.

  • K. K. Chandrashekara
    A High-Power Ti:Sa Laser System for Atomic Quantum Walks Experiments, (2020), Master thesisBibTeXPDF

    This thesis details the experimental efforts towards quantification of laser frequency noise by the use of an optical frequency discriminator and its suppression by means of measuring and reducing optical path length differences to prevent heating and loss of ultracold Caesium atoms trapped in two-dimensional state-dependent optical lattice. The discriminator used is a Fabry-Perót cavity with the side-of-fringe locking technique to be sensitive to frequency fluctuations of the input light field which are detected as changes in the intensity of the cavity signal. The measured noise spectrum revealed the performance of the laser in the frequency domain and was used to refine the same. A reduction in the laser linewidth was achieved in this manner. The same cavity was also transformed in to a transfer cavity to prevent long-term drift in the laser frequency. The frequency noise cannot be completely eliminated from the laser and so the task then became the reduction of the optical path length differences in the experiment by which the noise can manifest at the postion of the atoms. Conditions for achieving minimal path length differences were derived. Three methods were employed to measure the path length differences: A geometric distance measurement, an optical measurement using interferometry and at last using the atoms. The use of the atoms in particular displayed the extent to which the common-mode frequency noise can influence the experiment.

  • P. Malik
    Linewidth-reduced DBR Laser for Raman Sideband Cooling, (2020), Master thesisBibTeXPDF

    In this thesis, I present how the Lorentzian linewidth of a DBR laser was reduced by implementing an external optical feedback path. Chapter 2 deals with the theoretical framework of effects of the external optical feedback on semiconductor laser and regimes of feedback in distributed feedback lasers. To measure and quantify the linewidth of the DBR laser subject to controlled optical feedback, a delayed-self heterodyne (DSH) measurement was setup and is described in Chapter 3. DBR lasers are affected not only by white frequency noise but also low-frequency flicker and random walk noise. These noise components restrict the analysis of the DSH spectrum analytically, hence a simulation based fitting routine based on is used. A comprehensive analysis of the Lorentzian linewidth is presented. An estimate on the linewidth arising from the flicker and random-walk frequency noise is also presented in this thesis. With this improvement to the DBR laser, I present in Chapter 4, the implementation of carrier-free Raman sideband cooling in the main experiment.


  • T. Legrand
    Vergleich der Holografie und der direkten Abbildung mit dem räumlichen Lichtmodulator, (2019), Bachelor thesisBibTeXPDF

    Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem LCoS räumlichen Lichtmodulator (SLM). Dabei soll die durch Phasenmodulation erfolgende Holografie und der auf Amplitudenmodulation beruhende Aufbau der direkten Abbildung verglichen werden. Insbesondere liegt das Augenmerk auf der Verwendung des SLM zur Erstellung von Intensitätsmustern im zweidimensionalen optischen Gitter des 2D discrete quantum simulator (DQSIM). Es wurden dafür Muster mit beiden Modulationsmodi aufgenommen und analysiert. Die direkte Abbildung liefert im Vergleich zur Holografie Muster mit besserer Ebenheit, Auflösung und Hintergrund-Dunkelheit bei vergleichbarem Kontrast und Signal-Rausch- Verhältnis. Die Holografie kann jedoch je nach Muster eine höhere Lichtausbeute bieten.

  • D. Röser
    Fiber Fabry-Perot Cavities for Quantum Information and Spectroscopy, (2019), Master thesisBibTeXPDF

    A fully fiber integrated way to enhance the mode-matching is to apply optics in the form of graded-index fiber lenses, as it is presented by G.K. Gulati et al. To determine the cavity length, a multimode fiber piece of a specific size is used to terminate the assembly and act as a substrate for the fiber mirror. This concept requires precise control over the length of the fiber pieces and advanced splicing techniques with low losses and negligible mode deterioration. In their work, all used fibers with different outer diameters complicating the handling of the fiber mirrors. In this thesis, it has been tried to produce an assembly of equally sized fibers with 125 μm diameter. Further, elaborate ways of length control and fiber splicing have been investigated, enhancing the quality of fiber lens based mode-matching optics.
    Based on the specific application, one requires fiber mirrors of different radii of curvature and diameter. To implement state-of-the-art fiber mirror production techniques in our research group, a new versatile laser ablation setup has been built. This allows the production of ultra-smooth mirror surfaces with much larger range of radii of curvature and diameters compared to the old one.
    Further, a new assembly setup for fiber cavities has been realized. This setup is used for fabricating and characterizing cavities for the FCQED experiment of this research group.
    With the given advantages, fiber Fabry-Perot cavities are used in numerous applications, e.g. in our photon storage and retrieval experiment or in quantum repeater nodes. By efficiently interfacing almost any emitter, they are also expected to improve the performance of single-photon sources and quantum memories. Apart from quantum information, numerous possible fields of application can be listed, e.g. spectral filtering of light or cavity enhanced spectroscopy.
    In the following chapter, theoretical fundamentals of fiber Fabry-Perot cavities will be presented.
    To give a full picture of the fabrication process of mode-matched optical fiber cavities the procedure of fabricating mirror surfaces is described in chapter 3. There, the principle of laser ablation and the production setup is explained. Further, a surface reconstruction method and obtained cross-sections of a processed fiber are shown.
    Chapter 4 deals with the assembly of cavities for our experiment from the retrieved fiber mirrors. Here, the cavity design and its specific production procedure are introduced. It is followed by a description of the technique to retrieve information about the coupling and the finesse by resonance observation.
    In the last chapter, the procedures to enhance the spatial mode-matching between fiber and cavity mode are presented.

  • A. Blendl
    Study Of Decoherence Effects In Cold Atom Optical Lattices, (2019), Master thesisBibTeXPDF

    This thesis is a study of the decoherence mechanisms effecting the apparatus. A feed forward magnetic field stabilisation is presented, aiming at the reduction of magnetic field noise. Furthermore, the dephasing due to magnetic field noise is classified as homogeneous, by carrying out homogeneous dephasing insensitive Ramsey interferometry. During the process of this thesis an analysis technique was developed to investigate the dephasing due to transition frequency fluctuations of the implemented qubit on the example of magnetic field noise. Revealing a full understanding and prediction of the coherence due to the investigated noise source. As an outlook for further investigations a post correction for magnetic field noise effecting the apparatus is presented, indicating a limit for future magnetic field stabilisations.

  • J. Uckert
    Fast Raman transitions for Ramsey interferometry, (2019), Master thesisBibTeXPDF

    During my time at the 1D experiment, we modified the Raman laser setup with an AOM, supplementary optics and control circuitry to allow us to produce fast Raman pulses. We have successfully demonstrated our ability to induce Rabi oscillations in a sample of Caesium atoms with Rabi frequencies up to 1.4 MHz. We have put this to use to develop a new method to measure the radial temperature in our optical lattice setup and perform Ramsey interferometry. The temperature measurement made use of the Gaussian intensity distribution of the Raman laser beams addressing the atoms and of the subsequent differences in induced Rabi frequency over the trapped atoms. We were able to model the behaviour and extract the radial temperature at laser powers of up to 1 mW per Raman beam.
    We performed Ramsey interferometry with the new system, using a Keysight FPGA for the phase modulation of the π/2 pulses. The new hardware was integrated into the existing experimental sequences and it provides the opportunity to further simplify the setup since three of its output channels are still unused. The Mandelstam-Tamm speed limit was probed by measuring the evolution of the wave function from its initial to an orthogonal state. This measurement was done by performing Ramsey interferometry with an additional lattice shift between the two characteristic π/2 pulses. We verified the validity of the quantum speed limit through our measurements, which showed for trap depths of 14.286 μK, 28.689 μK and 57.813 μK that the evolution time was slower than the limit predicted through calculation.

    The content of this thesis will be divided into 3 parts. In the first chapter, I will go over the theory behind the optical lattice setup, how the experiment is designed and the necessary steps towards an experiment-ready atom sample. I will also cover the derivation of the quantum speed limit. The second chapter will treat the design, operation and calibration of the Raman laser setup, which was modified to perform fast pulses, phase modulation of these pulses and ultimately Ramsey interferometry. The third chapter treats the experiments performed with the aforementioned laser setup, the results and analysis. At the end, I will give a short summary and an outlook on the next possible steps to take with the working setup and which further experiments might be performed.

  • M. Omar
    Atom cloud compression in a 3D optical lattice and laser intensity stabilisation using an in-house developed photodiode amplifier, (2019), Master thesisBibTeXPDF

    Our group’s 2D Discrete Quantum Simulator (DQSIM) experiment is dedicated to the idea of a discrete time quantum walk. A quantum walk is the quantum mechanical analogue of a classical random walk. Discrete refers here to the timing in which evolution operators are applied to two quantum systems, a walker and a coin. It not only exhibits different statistics than the classical counterpart but may be employed in a multitude of ways. For example the experimental simulation of a perfect conductor in which Bloch oscillations are performed or the simulation of topological systems that are otherwise inaccessible in solid state physical scales.

    The first chapter reviews the DQSIM setup and necessary concepts to assess the place the content of the thesis is going to take within the experimental effort of our group. Then this thesis deals with two additions to the DQSIM experiment. The first part concerns a specifically designed photodiode amplifier circuit to improve the intensity stabilization of the lattice beams. Improving it would ensure that the coherence time of the atoms isn’t limited by intensity noise any more.

    The second part introduces a scheme to realize compression of atomic ensembles trapped in our optical lattice. Furthermore it is a first step in achieving an efficient single plane selection and addressing in our experiment opening the door to many-particle quantum walks. The thesis concludes with a discussion about initial experimental attempts on compression and a summary of the results.


  • D. Löwen
    Intensitätsstabilisierung eines Lasers mit hoher Bandbreite, (2018), Bachelor thesisBibTeX

    Im Rahmen dieser Arbeit soll die Intensität eines Lasers über eine Feedback-Schleife stabilisiert werden, und dabei soll eine Bandbreite von über einem MHz erreicht werden, da Rauschen und Schwankungen bei diesen und höheren Frequenzen von den Atomen nicht mehr "wahrgenommen" werden. Es ist bereits möglich eine Stabilisierung der Intensität des Lasers mit einer Bandbreite bis zu ungefähr 100kHz aufzubauen. Dieser Aufbau soll in dieser Arbeit optimiert werden, um Rauschen bis zu mindestens einem MHz zu unterdrücken. Dabei soll hauptsächlich ein geeigneter Verstärker gebaut und so angepasst werden, dass er eine optimale Rauschunterdrückung gewährleistet.

  • W. Zhou-Hanf
    Robust Holographic Generation of Arbitrary Light Patterns: Method and Implementation, (2018), Master thesisBibTeXPDF

    In the Discrete Quantum Simulator (DQSIM) experiment in Bonn it has been planned to study topologically protected transport of atoms along the edges separating distinct topological phases. To realize sharp edges, structured intensity patterns will be used and are to be holographically projected onto the caesium atoms trapped in a two-dimensional (2D) state-dependent optical lattice. A robust technique to reproduce sharp-edged diffracted patterns has been accomplished and is presented in this thesis. This technique is based on a Gerchberg-Saxton-like algorithm, which has overcome the well-known stagnation problem and is able to suppress speckles induced by random phase vortices, and has been further extended to create sharp, diffraction-limited edges in the reconstructed intensity pattern. Computer-generated holograms (CGHs) corresponding to the desired intensity patterns can be calculated with high computational efficiency (∼ 100 iterations) and the intensity patterns can be reconstructed with high fidelity (relative RMS 3.9%).

  • T. Groh
    Fast transport of single atoms in optical lattices using quantum optimal control, (2018), Master thesisBibTeX

    This thesis describes the theoretical and experimental work for reaching fast, high fidelity transport operations of single cesium atoms in a state-dependent optical lattice. By applying optimal control theory to position and depth of the optical lattice potential and using a computer simulation judging the fidelity, fast transport sequences preserving the internal atomic quantum state and preventing any motional excitation can be identified. To allow transport times down to a few microseconds the feedback control system used for steering depth and position of the optical lattice deterministically is overdriven in a controlled way. Transport induced motional excitations are measured experimentally by means of a special microwave sideband spectroscopy, which is improved to reliably detect any excitation and allows a full tomography of the vibrational states of the anharmonic optical lattice potential. Optimal control sequences allowing single site transport of atoms in the oscillation period of the trapping potential are believed to reach the fundamental quantum speed limit of the system.

  • P. Du
    Optical Intensity Control Based on Digital and Analog Systems, (2018), Master thesisBibTeXPDF

    In our laboratory, we use cesium atoms, which are trapped in the optical lattices. For the practice of quantum walks, atoms must be well isolated from the noisy environment so that long decoherence time can be achieved. It has been analyzed that fluctuations of the lattice depth originated from intensity fluctuations is one mechanism of decoherence. To suppress the intensity noise of optical lattices, we implement an intensity stabilization control loop based on a field-programmable gate array (FPGA) digital platform (Keysight AIO-H3336F). With the advantages of its integratability and flexibility, the application of digital control opens more possibilities for light intensity modulation. In addition to the intensity stabilization, a feedforward control of light intensity becomes feasible with the use of digital signal processing function of FPGA. The realization of intensity feedforward control provides us with a high bandwidth of intensity modulation as well as the conveniences of creating arbitrary intensity ramp implementation. Therefore, it plays an important role in our exploration into the physics related with a time-varying optical trap depth.


  • F. Jaekel
    Aktive Intensitätsstabilisierung eines Lasers mithilfe von Elektrooptischen Modulatoren, (2017), Bachelor thesisBibTeX

    Der Ansatz, der in dieser Arbeit verfolgt wird, verwendet einen elektrooptischen Modulator, welcher eine Bandbreite im Bereich von 100 MHz hat. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Intensitätsstabilisierung mit einer Bandbreite von mindestens 10 MHz zu erreichen und die daraus resultierende Verbesserung der Störungsunterdrückung zu demonstrieren. Die nötigen theoretischen Grundlagen sowie die Funktionsweise der Intensitätsstabilisierung mithilfe eines elektrooptischen Modulators werden erarbeitet. Weiterhin werden Aufbauten und Messungen, die zum Erreichen einer hohen Bandbreite erforderlich sind, dargestellt und erklärt.

  • E. Uruñuela
    Imaging and addressing of neutral atoms inside a fiber cavity, (2017), Master thesisBibTeXPDF
  • A. Knieps
    A Spatial Light Modulator for Steering Quantum Walks with Single-Site Precision, (2017), Master thesisBibTeX

    This master thesis investigates the potential application of a Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator for control of the coin flip operation in a two-dimensional quantum walk. First, the phase noise characteristics of two such modulators from different manufacturers are analyzed. Then an optical setup is constructed to perform holography using phase modulation. The evaluation of this setup verifies pattern generation capability and shows further directions for improvement of image quality.

  • L. Ahlheit
    Frequenzvariable Phasenstabilisierung eines Diodenlasers auf einen optischen Frequenzkamm, (2017), Bachelor thesisBibTeXPDF
  • M. Ammenwerth
    Analysing a phase-frequency lock of a laser to an optical frequency comb, (2017), Bachelor thesisBibTeXPDF
  • M. Kubista
    A New Fiber Mirror Production Setup, (2017), Master thesisBibTeXPDF

    For my master thesis project I have set up, characterized, and tested a new fiber mirror production setup.

    All technical elements have been interfaced with the lab computer and can be controlled with the same self-written program. All aspects influencing the ablation parameters and their control have been characterized to enable a predictable ablation sequence, and to identify aspects that require additional optimization.

    Furthermore, I have set up an interference microscope to profile the produced ablation crater. In the process, I have implemented, tested, and compared several analysis methods. These routines have been integrated into the control software to enable feedback.

    Finally, I have tested the setup on a fused silica substrate and on fiber end facets. From these tests it could be concluded that the setup is working as expected. Additionally, further information on its characteristics and necessary future steps could be gathered.

  • M. Werninghaus
    Copy of Controlling atom transport in a two-dimensional state-dependent optical lattice, (2017), Master thesisBibTeXPDF

    This thesis describes the development of an optical phase lock loop on a digital platform, in order to realize state-dependent transport on a two-dimensional optical lattice. The digital platform consists of a field programmable gate array in combination of a vector generator module, which is used to steer the amplitude and phase of the optical lattice deterministically. The digital system enables the implementation of a feedforward control scheme based on internal model control, which overcomes the bandwidth limitations of feedback systems. The control bandwidth is shown to be increased by more than an order of magnitude, directly improving the number of coherent operations that can be executed with the atoms in the optical lattice. The system is implemented into the optical setup of the experimental apparatus, and the first signatures of state-dependent transport of atoms in the two-dimensional optical lattice is observed and presented.

  • M. Werninghaus
    Controlling atom transport in a two-dimensional state-dependent optical lattice, (2017), Master thesisBibTeXPDF

    The content of this thesis is divided into four parts: In chapter one I will describe the experimental techniques and scientific principles used to realize transport in state-dependent optical lattices in two dimensions. The second chapter is dedicated to introducing the digital device platform and a characterization of its basic properties. In the third chapter I will give an overview of control theory with a focus on the fundamentals of feedback control. In addition, I will explain the implementation of the control loops on the digital system in the second part of the chapter. At the end of this chapter, I will present how an internal model control of the lattice can be implemented on the digital platform. The experimental results on state-dependent transport are presented in the last chapter. Furthermore, I will give an outlook of future milestones of the two-dimensional quantum walk experiment.


  • W. Zhou-Hanf
    Analyse der Punktspreizfunktion des Abbildungssystems vom DQSIM-Experiment anhand der Fluoreszenzaufnahmen, (2016), Bachelor thesisBibTeXPDF

    Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Atomfluoreszenzbilder, die im DQSIM - Experiment aufgenommen worden sind. Die Fluoreszenzmikroskopie bzgl. des zweidimensionalen Vielteilchensystems hat eine wichtige Bedeutung für das messungsbasierte Quantenrechnen mit Clusterzuständen. Anhand der Fluoreszenzaufnahmen wird das Abbildungsprinzip erläutert, das Konzept der Punktspreizfunktion (engl. point spread function, kurz PSF) und der Faltung wird eingeführt und deren mathematische Eigenschaften werden vorgestellt. Durch die Analyse der PSF wird die reale numerische Apertur (kurz NA) zusammen mit dem Strehl-Verhältnis (engl. Strehl ratio) untersucht. Die Anwendung der Zernike-Polynome wird ebenso einen Einblick in die Analyse der optischen Aberrationen eines Abbildungssystems anbieten.


  • F. Seidler
    Digital high bandwidth feedback controller, (2015), Master thesisBibTeXPDF
    This work reports on a high bandwidth (>0.5 MHz) digital controller for intensity stabilisation. Important properties of the digital hardware are characterised. The noise characteristics of the digital to analogue converter limit the digital controller, making it inferior compared to a state-of-the-art analogue controller in this respect. However, similar bandwidths are achieved with both controllers in PI mode. In addition a proof of concept digital Internal Model Controller is presented showing an increased bandwidth of 2.4 MHz. The results and methods presented in this work may be used to improve intensity control for quantum optics experiments using digital controllers.
  • T. Groh
    Dekohärenzeffekte in topologischen Phasen von Quantenwalks, (2015), Bachelor thesisBibTeXPDF
    Die Klassifizierung von Quantenwalks über topologische Phasen ermöglicht die Erklärung der Existenz geschützter Zustände an räumlichen Phasengrenzen. In dieser Arbeit wird die Einwirkung von Dekohärenzeffekten auf die Existenz und Form dieser topologisch geschützten Zuständen in Quantenwalks mit diskreter Zeit auf ein- und zweidimensionalen diskreten Gittern simuliert und untersucht. Für die zeitliche Entwicklung topologisch geschützter, lokalisierter Randzustände wird im eindimensionalen System ein einfaches Modell gefunden. Die Grenzen des verwendeten Dekohärenzmodells werden durch die Konstruktion eines dekohärenzfreien Quantenwalk-Protokolls aufgezeigt. Außerdem wer- den die Möglichkeiten und Einschränkungen einer experimentellen Realisierung von topologischen Effekten in Quantenwalks mit neutralen Atomen in optischen Gittern simuliert und analysiert.
  • F. König
    Exploration of Fiber Fabry-Perot Resonators as Optical Filters, (2015), Bachelor thesisBibTeX
  • G. Ramola
    A versatile digital frequency synthesizer for state-dependent transport of trapped neutral atoms, (2015), Master thesisBibTeXPDF

    This thesis deals with the design and construction of a versatile digital frequency synthesizer for implementation in the state-dependent transport of Cesium atoms. The versatile digital frequency synthesizer consists of a field programmable gate array interfaced with a low noise direct digital synthesizer that will be used for amplitude, phase and frequency modulation. The versatile digital frequency synthesizer provides better flexibility, for generating arbitrary waveforms, and lower phase noise than the previous setup. The measured reduction in phase noise of around 20dB corresponds to an increase in the lifetime of atoms by two orders of magnitude. This improved phase noise specification with the ability to generate arbitrary waveforms opens up possibilities for transporting atoms over macroscopic distances and eventually realizing an atom interferometer with a large space-time area.

  • P. Weitz
    Aufbau und Charakterisierung eines Stokes Polarimeters, (2015), Bachelor thesisBibTeX

    Den Polarisationszustand elektromagnetischer Strahlung zu kennen, und kontrollieren zu können, ist in der modernen Physik von großer Wichtigkeit. Beispielsweise braucht man zum Laserkühlen von Atomen eine klar definierte Polarisation. Ziel dieser Bachelorarbeit ist es ein Polarimeter aufzubauen, welches die Polarisation eines einfallenden Laserstrahls misst und Auskunft darüber zu geben, wie genau es Polarisationen messen kann. Ferner sollen die wichtigsten systematischen Messfehler untersucht und charakterisiert werden.

    Ein Stokes-Polarimeter wurde erfolgreich aufgebaut und getestet. Es wurde gezeigt, dass die Genauigkeit des Polarimeters von der Polarisation abhängig ist, wobei es zirkulare Polarisation besser als auf 0.5% genau messen kann. Über die Möglichkeit, die zirkulare Polarisation genauer zu messen, lässt sich nichts aussagen, da die Polarisation nicht genauer eingestellt werden konnte. Die Güte der Messung der linearen Polarisation wird am stärksten durch die genaue Kenntnis des Winkels zwischen schneller Achse der QWP und der Polarisationsachse des Analysators bestimmt. Mit der Kenntnis dieses Winkels auf 0.2º genau ist es auch möglich, lineare Polarisation mit 1% Genauigkeit zu messen. Eine Ausnahme stellt hier die horizontale Polarisation dar, bei der eine Abweichung von 5% von den erwarteten Werten beobachtet wurde. Mögliche Ursachen hierfür sind eine geringere Verzögerung der QWP und ein Offset der Intensitätsmessung, der weiter untersucht werden muss. Ferner wurde Wave-Plate-Ripple als eine weitere Fehlerquelle identifiziert und eine qualitative Abschätzung seiner Einflüsse gegeben.

  • V. Schilling
    A Magnetic Elevator for Neutral Atoms into a 2D State-dependent Optical Lattice Experiment, (2015), Master thesisBibTeXPDF

    This master thesis contains two major parts. On the theoretical side simulating the state-dependent transport of neutral caesium atoms in a two-dimensional optical lattice gives an intuitive picture of the state-dependent potential during transport. The more practical part deals with the task to load the atoms into the lattice since they cannot be trapped directly in the plane of the experiment. A magneto-optical trap in a distance of about ∼2 mm below the lattice traps atoms out of the vacuum background and lift them afterwards into the lattice. This is realised using a precise electronic control of the imbalance of current guided through the two coils for building up the required quadrupole field by diverting a certain amount of current around one coil. Analysis of the step-response signal of the used metal band coils yields mandatory characteristics for achieving a fast and stable control. A galvanic isolated signal transfer protects the computer control against damage due to accidental voltage pulses from the high-power system. The diverted current can change with ∼0.9 A ms−1.


  • I. Marinkovic
    Experimental Setup for Rydberg Spectroscopy, (2014), Master thesisBibTeXPDF
    This master thesis describes a setup for optically exciting Rubiduim 87 atoms to Rydberg states. A two photon scheme is implemented to transfer atoms from the ground state to the Rydberg state, using laser light at 780 nm and 480 nm. In order to achieve the required short and long term stability, the diode laser at 780 nm is locked to an Ultra Low Expansion (ULE) glass cavity, which is placed inside vacuum, vibrationally isolated and thermally stabilized. Laser light at 480 nm is produced by frequency doubling light from a 960 nm laser, using a BIBO crystal inside an enhancement cavity. We have demonstrated the systems ability to address Rydberg states in 87 Rb, by performing Electromagnetically Induced Transparency (EIT) spectroscopy in a room temperature vapor cell. In the future EIT can be used for the locking of the 480 nm laser via frequency modulation spectroscopy.
  • F. Kleißler
    Assembly and Characterization of a High Numerical Aperture Microscope for Single Atoms, (2014), Master thesisBibTeXPDF
    This master thesis investigates the optical imaging properties of a state of the art in-house developed objective for the observation of single atoms trapped in a two-dimensional spin-dependent optical lattice. After the successful assembly of the objective lenses into a ceramic holder two different approaches for the characterization are presented. First a wave-front analysis for the estimation of the root-mean-square deviation to a planar reference using a Shack-Hartmann sensor and a Shearing interferometer is performed. In the second approach the imaging of a point-like light-source is utilized to determine the point-spread-function of the objective. The production of the probes is inspired by methods of optical microscopy in the nano-scale regime like Total-Internal-Reflexion-Fluorescence- and Scanning-Nearfield-Optical-Microscopy. Self-written MATLAB-routines are used to extract quantitative information on the imaging system. The analysis in this work shows that the objective can operate close to diffraction limit with a numerical aperture of 0.9. Numerically calculated point-spread-functions are compared to the measurements to explain the small deviations to the perfect Airy pattern. A very good agreement has been found between the point-spread-function calculated numerically and that measured in the characterization set-up.
  • J. Zopes
    Sorting atoms in spin-dependent optical lattices, (2014), Master thesisBibTeXPDF

    This work reports on the implementation of feedback methods for position control of single Cesium atoms in spin-dependent optical lattices. For this purpose a new control software has been developed. It encapsulates experimental control, fluorescence image acquisition and analysis into a single program. Combining the new software with spin-dependent transport and position-dependent addressing, we have developed a versatile feedback algorithm to deterministically arrange arbitrary patterns of up to 6 atoms. In addition, we have prepared two atoms in a common lattice site. We observed light-assisted collisions between both atoms and thereby characterized the preparation effciency of 83 ± 4 %. The results pave the way for the study of controlled interactions between precisely two atoms in a single well of the optical lattice potential, enabling the realization of a fundamental quantum logic gate.

  • Y. Völzke
    Simultaneous Non-Destructive State Detection of Neutral Atoms, (2014), Master thesisBibTeXPDF
    The present work investigates a non-destructive hyperfine state detection method for neutral atoms in an one dimensional optical lattice. The atoms are exposed to near resonant light and from their fluorescence image their internal state can be extracted. Additionally a compression method is presented to densify an atomic ensemble in this trap. Chapter 1 presents the experimental setup for trapping a small atomic ensemble in an one dimensional lattice. Chapter 2 focuses on the compression sequence and its effciency. Chapter 3 is devoted to the state detection of well separated individual atoms. It provides detailed studies of the imaging system and the state dependent imaging is investigated experimentally and theoretically. In chapter 4 a Bayesian analysis of the fluorescence images is used to improve the state detection fidelity. In chapter 5 the state detection is performed for groups of atoms that cannot be individually resolved. For two atoms this is done experimentally and the many atom case is simulated to compare different analysis methods. Finally, chapter 6 summarizes the results of this thesis and gives a short outlook.
  • I. Boventer
    Characterisation of Phase Noise for the Preparation of Atoms in the Motional Ground State, (2014), Master thesisBibTeXPDF
    Contents 1 Introduction 1 2 Setup for Raman Sideband Cooling with Phase Noise Characterisation 2.1 The optical dipole potential 2.2 The motional groundstate 2.3 Raman Transitions 2.4 Stabilization of the Phase 2.5 Phase Noise by a Quadrature Measurement 2.6 Experimental Setup 2.7 Cooling into the ground state 2.8 Summary 3 Common Mode OpticalPhase Noise of the Optical Lattice 3.1 Experimental Setup 3.2 The Interferometer 3.3 Generation of the Beat Signal 3.4 Power Spectral Density (PSD) 3.5 Measurements and Results 3.6 Analysis of Displacements of Atoms 4 Quadrature Interferometer 4.1 Experimental test apparatus 4.2 Stability and temporal drifts 4.3 Considerations for experimental realization in SDT 4.4 Outlook 5 Conclusion and Outlook 6 Appendix 6.1 Schematic of Lead-Lag Filter in OPLL 6.2 Relation between fraction of total power below carrier and RMS phase noise 6.3 Required sensitivity for quadrature interferometer
  • S. Shestovyy
    Entwicklung eines hochstabilen optischen Phasendetektors für Licht-Polarisationssynthese, (2014), Diplom thesisBibTeXPDF
    Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Optimierung der elektronischen Elemente für eine optische Phasenregelschleife, welche ein zweidimensionales Dipolgitter regeln soll. Insbesondere wird ein hochstabiler optischer Phasendetektor entwickelt und charakterisiert. Dieser wird in dem entstehendem zweidimensionalen Digitalen Quantensimulator eingesetzt. Mit DQSIM werden einige neue Simulationsmöglichkeiten gegenüber dem bestehendem eindimensionalen Digitalen Quantensimulator eröffnet, wie z.B. Simulation künstlicher Magnetfelder oder Untersuchung eines zweidimensionalen Systems wie Graphen.
  • S. Reichel
    Mikroprozessorgesteuerte Fasereinkopplung, (2014), Bachelor thesisBibTeX


  • M. Link
    Vermessung der Linienbreite eines Interferenzfilter-Diodenlasers mithilfe der Heterodyn-Methode, (2013), Bachelor thesisBibTeX
  • S. Urban
    Optimization of an optical fiber endfacet machine, (2013), Bachelor thesisBibTeX
  • J. Huisman
    State-dependent Atom Transport in Polarization Synthesized Optical Lattices: An Estimation of Dephasing Inlfuences, (2013), Bachelor thesisBibTeX


  • A. Hambitzer
    Direct Synthesis of Light Polarization for State-Dependent Transport, (2012), Master thesisBibTeXPDF

    This master-thesis investigates a new approach for state-dependent transport of atoms in an optical lattice. It is based on a direct synthesis of light polarization by superimposing two circular polarized beams and employing RF sources integrated with acousto-optic modulators for phase control. An interferometrically stable phase between the two beams is achieved by locking them actively with a heterodyne technique. The influence of polarization crosstalk and erroneous components on the optical lattice and the phase locked loop are investigated and the quality of the phase locked loop is analyzed.

    Compared to conventional methods [25] the direct synthesis method avoids the need of an electro-optic modulator, where rotations on the Poincare sphere are limited by the applicable voltage and restrictions on manufacturing and crystal quality exist. Overcoming these limitations it is expected to reach higher polarization purity and larger shift distances in the new design.

  • S. Manz
    Heterodyne spectroscopy with single atoms in a high-finesse optical cavity, (2012), Master thesisBibTeXPDF

    The present thesis is divided into three parts: Chapter one gives a brief theoretical introduction followed by a short description of the existing experimental setup. Subsequently, the implementation and characterization of the strongly focused dipole trap is presented. The chapter closes with an introduction of the heterodyne detection setup. Chapter two highlights theoretical aspects of heterodyne detection, emphasizing the estimation of the expected signal-to-noise ratio in comparison to the measurements. Finally, chapter three deals with heterodyne spectroscopy as a tool to map intracavity dynamics to frequency domain. At first a short theoretical introduction into cooling of the motional degree of freedom of a trapped atom in a cavity is given. First measurements of motional sidebands are presented and possible broadening mechanisms are discussed in detail. Eventually, the extracted temperature and cooling rate is compared to theoretical expectations.

  • M. Genske
    Electric Quantum Walks with Individual Atoms, (2012), Master thesisBibTeXPDF

    The experimental realisation of electric quantum walks, i.e. quantum walks that are subject to a force, is presented with individual caesium atoms. Hereby, the behaviour of a charged quantum particle in a static electric eld is simulated in a time as well as space discrete system. Building on previous achievements [1], the demonstration of ordinary quantum walks of up to 100 steps is shown. Further thorough theoretical studies expose the underlying simulator properties of such a quantum walk system experiencing a force. Similarities to the continuous time analogue as well as characteristic features that are indebted to the discrete evolution of the system are presented. The implementation of a direct digital synthesizer allows the experimental application of discrete forces in the system by employing frequency ramps, and thus leads to the realisation of electric walks. Results are given for selected force parameters, showing the phenomenon of Bloch oscillations. Additionally, pure ballistic transport of the electric quantum walk due to strong Landau-Zener tunnelling in the strong force regime is demonstrated.

  • D. Kim
    Quantum Register Initialization via Deterministic Atom Sorting in Optical Lattices, (2012), Master thesisBibTeXPDF
  • J. Zopes
    Einzelplatz-Detektion im optischen Gitter unterhalb des Beugungslimits, (2012), Bachelor thesisBibTeX
  • C. Lützler
    Fabrication of Optical Microfibers, (2012), Master thesisBibTeXPDF

    So called optical microfibers (OMFs) with diameters on the order of one micrometer have attracted much attention during the last years. This results from the optical properties of the OMFs. Due to the small cross section of the OMF about 50% of power guided trough it propagates outside the physical boundary of the OMF. The portion of light guided by the fiber but propagating in the surrounding medium is referred to as the evanescent field. This field can be accessed rather easily for experiments and offers high light intensity because of the strong spacial confinement. This thesis work lays the foundations for the on-demand fabrication of OMFs of any shape and with various optical properties. The scope of this work covers among others the design of an advanced mechanical setup, the corresponding calculations on fabrication of OMFs, and the analysis and verification of the properties of the resulting OMFs.

  • N. Thau
    Optical fiber cavities, (2012), Master thesisBibTeXPDF

    The demand for fiber cavities for studying light matter interaction increased in the recent years. The ablation setup in Paris is used as a basic tool for fabricating fiber mirrors by ablating material on a fi ber end facet with a CO2 laser. In this work we improved the controllability and the efficiency of the setup. A better quality of the CO2 laser beam was achieved by the minimisation of the astigmatism caused be the dichroic mirror. This enables the adjustment of a certain beam radius by moving the fi ber end facet along the beam direction. Based on the experiences in Paris, we built up an improved ablation setup in Bonn. The dichroic mirror and the microscope are substituted by a new alignment method of the fiber end facet. A 1550nm laser is overlapped with the CO2 laser beam and coupled into the fiber. By the amount of light coupled into the fi ber, the position of the fi ber is determined. As a new approch, a Michelson pro filometer is implemented into the setup to determine the structure pro files on the fi ber end facet. All electrical components in the ablation setup are controlled centrally with a MBED microcontroller which will enable an automated alignment of the fiber and ablation process in the future. In a further experiment, the properties of a fi ber cavity are investigated in Paris. Elliptically polarized light at a wavelength of 900nm is coupled into the cavity and from the transmission signal as well as the camera pictures, the free spectral range, the fi nesse and the spectral width is determined. From this, the reflectivity of the mirrors, the mode waist and the cavity fi eld decay rate are roughly estimated. Especially the birefringence of the mirror coating was also investigated in this measurement and is observed as a resonance splitting in the transmission signal.

  • S. Arnoldt
    Rotating Quarter-Wave Plate Stokes Polarimeter, (2012), Bachelor thesisBibTeXPDF
  • J. E. Hartung
    Surface protection of optical microfibres for caesium spectroscopy, (2012), Diplom thesisBibTeXPDF
    In this thesis I present experiments done with optical fibres tapered down to submicrometre diameters. In such an optical microfibre, OMF, the light is strongly confined over a large length with a strong evanescent field propagating outside of the OMF. With this high light intensity in the surrounding medium of the OMF over a length of several millimetres, OMFs offer excellent conditions for light-matter interaction experiments. Linear absorption spectroscopy of hot caesium vapour using OMFs has already been done in our group [1]. The goal of my work was to investigate the possibilities of further spectroscopic methods. After presenting the considerations about pump - probe spectroscopy of caesium vapour using OMFs, I will introduce the optical setup I built. It offers the possibility for saturated absorption and polarisation spectroscopy using OMFs with a great flexibility. In first experiments the setup proofed to work, but transmission losses due to chemical reactions of the caesium with the surface of the OMFs prevented further investigations. To overcome this problem, the surface of the OMF had to be protected. I will present the surface passivation method which fulfils all of our demands and the developed treatment procedure of an OMF. This treatment procedure can now be applied and an OMF with a chemically passivated surface can be connected to the ready to use optical setup for pump - probe spectroscopy of hot atmoic caesium vapour.
  • F. Seidler
    Aufbau einer Maschine zur Bearbeitung von Glasfaser-Endflächen, (2012), Bachelor thesisBibTeX
    Der einfachste Optische Resonator besteht aus zwei einander gegenüber positionierten Spiegeln (ein sogenannter Fabry-Pérot-Resonator). Die Eigenschaften dieser Resonatoren hängen stark von Form, Oberfläche und Positionierung der verwendeten Spiegel ab. Um einen besonders vorteilhafte Satz an Parametern für Experimente auf dem Gebiet der CQED (Cavity Qantum Electro Dynamics) zu erhalten, möchte man die Endflächen von Glasfasern als Spiegel verwenden. Dies setzt insbesondere eine Möglichkeit zur Bearbeitung der Faserendflächen voraus.Grundlegende Zusammenhänge und Eigenschaften dieser Faser-Fabry-Pérot Resonatoren, wie auch theoretische Betrachtungen zur gewählten Bearbeitungsmethode für die Faserendflächen folgen in Kapitel 2. Anschließend wird der Aufbau einer Maschine zur Bearbeitung von Faserendflächen geschildert (Kapitel 3). Erste Tests werden in Kapitel 4 dargelegt. Abschließend wird ein Ausblick auf noch ausstehende Arbeiten gegeben, die schließlich die Herstellung von Faserresonatoren im gewünschten Rahmen ermöglichen sollen (Kapitel 5).


  • S. Brakhane
    Kontrolle der Atom-Resonator-Wechselwirkung mit Hilfe einer Regelschleife, (2011), Diplom thesisBibTeXPDF
  • F. Bruse
    Harmonic Generation with Optical Microfibres under Controlled Atmospheres, (2011), Diplom thesisBibTeXPDF
  • M. Sieghart
    A frequency stabilized diode laser system, (2011), Diplom thesisBibTeXPDF
    We will start by looking into the design and operating mode of semiconductor lasers. We will derive a formula describing their linewidth as well as discuss the dynamic properties of semiconductor lasers. This chapter will also explain what happens if we irradiate an external fi eld into the laser cavity to investigate the possibilities for narrowing the linewidth of the laser and how to realize this. We have to study frequency selective components we want the laser to lock to and will explore how to build a servo loop to make the locking stable. We will generate the servo loop by using a technique rst proposed by Hänsch and Coulliaud in 1980. This technique is based on a polarization spectroscopy providing a dispersive error signal with a very broad capture range. To control our advance we have to fi nd a method to measure the linewidth of the laser. This we will do with a self heterodyne scheme fi rst proposed by Okoshi et al. in 1985 which provides a high spectral breakup. Afterwards we will describe how the setup was generated, which problems have occurred and how they have been solved. At the end this diploma thesis will provide an outlook which steps can be taken to improve this experiment further on. The setup generated in this diploma thesis supplies first promising results in order to generate a compact long term frequency stabilized diode laser system. In addition to the presented setup we studied a similar system with a plane-parallel cavity described in detail in the diploma thesis of Julia Kemp. This setup provided dissatisfactory results which led us to concentrate our e fforts to the V-con guration. Beginning with a linewidth of (5.26 +-1.82) MHz it was possible to reduce it by a factor of 10 to (0.55 +-0.34) MHz. Many problems in generating the setup have been solved and described as well. The actual locking laser of the Cqed experiment has a linewidth of about 10 kHz. So this setup has to be improved to achieve comparable results.
  • S. Hild
    Resolved Raman sideband cooling in a doughnut-shaped optical trap, (2011), Master thesisBibTeXPDF
  • F. Kindermann
    Towards Coherent Control of a Single Cs Atom in an Ultracold Rb Cloud, (2011), Master thesisBibTeXPDF
    My thesis will present the experimental realisation and characterisation of all prerequisites necessary for the investigation of the coherence dynamics of single atoms immersed in a quantum gas: In the first chapter, the traps used to combine the single Cs atom with the ultracold Rb cloud are presented and characterised. Afterwards the methods used to control the internal degree of freedom of the Cs atom, e.g. microwave spectroscopy, are introduced. In the last chapter the coherence time of the generated superposition states is measured. A species selective lattice was built and implemented in the current setup. A transfer efficiency from the single atom MOT into the lattice and back close to unity has been achieved. This is an essential prerequisite for future experiments, because all measurements rely on counting the atom number in the MOT before and after manipulation of the atom. It was verified that the measured lattice parameters agree with the theoretically predicted values. A microwave setup has been built and used to generate a superposition state of two Zeeman states in a single Cs atom. From a Ramsey spectroscopy measurement performed in the lattice, the inhomogeneous coherence time of nearly 60 μs has been inferred and the differential light shift has been found to be the limiting factor. Within the dipole trap we measured the homogeneous coherence time of approximately 1200 μs using different trap depths, observing that the time stays the same in each measurement. The limiting processes are mainly ascribed to uctuations of the current owing through the coils generating the magnetic guiding field. Unfortunately it was not possible to perform a combined measurement of a single Cs atom and an ultracold Rb cloud because of a major vacuum leak.


  • M. Eckstein
    Three-Level Physics of a Single Atom Coupled to a High Finesse Cavity, (2010), Diplom thesisBibTeXPDF
  • A. Mawardi
    Generation of a donut beam for a tight radial confinement of atoms in a one-dimensional optical lattice, (2010), Master thesisBibTeXPDF
  • D. Pritzkau
    Measurement of submicrometer diameters of tapered optical fibres using scanning electron microscopy, (2010), Diplom thesisBibTeXPDF
  • O. Fetsch
    Bau einer speziesselektiven Falle für ein einzelnes Cs-Atom in einem Rubidiumhintergrundkondensat, (2010), Diplom thesisBibTeX
  • K. Katayama
    Optical Phase Lock Loops and Raman-Cooling, (2010), Master thesisBibTeXPDF
  • A. M. Moqanaki
    Towards 3D Raman Sideband Cooling of Rubidium, (2010), Master thesisBibTeXPDF
    Raman sideband cooling is a method to prepare atoms in the vibrational ground state of a periodic potential and cool them below recoil limit. It can be implemented as a mid-stage cooling to improve the eciency and speed of evaporative cooling. The aim of this text is introducing its principle, design of such an apparatus for Rubidium atoms using diode lasers and explain technical details of set up process. The design for a laser system based on three diode lasers for a MOT to trap and pre-cool the atoms and the 3D optical lattice to perform the degenerate Raman sideband cooling is presented. Three external cavity diode lasers working at 780nm with 40 mW and 60 mW of power are built and locked to 87Rb D2-line using polarization spectroscopy. In addition, A UHV system with the final pressure of 7*10^-10 is built. Reaching a UHV regime has lots of diffculties and needs certain techniques and care. Here the techniques I have sued to maintain such low pressure, namely: cleaning recipe, pump down, bake-out and leak tests has been discussed in details.
  • J. Kemp
    Aufbau eines schmalbandigen Diodenlasers, (2010), Master thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche optisch stabilisierte Diodenlasersysteme aufgebaut und deren Eigenschaften untersucht. Neben einem Aufbau in „klassischer“ V-Konfiguration wurde auch ein System mit Planspiegeln realisiert, welches aber nur unbefriedigende Ergebnisse lieferte. Dies ist zum einen auf die durch den Aufbau bedingten längeren optischen Wege und zum anderen auf Störungen von außerhalb zurückzuführen. Für zukünftige Anwendungen ist es deshalb nötig, den Aufbau mechanisch zu stabilisieren. Erheblich bessere Ergebnisse wurden mit der Rückkopplung von einem Resonator in VKonfiguration erzielt. Hier war bereits eine Stabilisierung des Lasers ohne zusätzliche elektronische Regelung erkennbar. Damit beide Systeme besser verglichen werden können, ist es sinnvoll, ihre Finesse einander anzupassen. Dies könnte über die Wahl geeigneter Spiegel realisiert werden. Um Linienbreiten im Megahertz- und Sub-Megahertz-Bereich zu messen, sind verschiedene Verfahren analysiert und angewandt worden. Die Linienbreitenbestimmung mit einem frequenzselektiven Element konnte mit einem selbst gebauten Fabry-Pèrot-Resonator realisiert werden. Für eine bessere Auflösung könnten eine Schall- und Schwingungsisolierung des Resonators und Spiegel höherer Reflektivität sorgen. Desweiteren ist gezeigt worden, dass die Linienbreitenbestimmung aus einer Schwebungsmessung mit Hilfe eines Selbst-Heterodyn-Interferometers notwendig erscheint, da hier kleinste Auflösungen gewährleistet werden können. Quantitative Aussagen über die Linienbreite erfordern ein stabiles Signal und eine genaue Analyse des Linienprofils, da der Zusammenhang zwischen einer Erhöhung des Frequenzrauschens und der Linienbreite von der Linienform abhängt. Ist das Linienprofil nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt, so muss das Schwebungssignal als obere Grenze der Linienbreite angenommen werden. Um diese Zusammenhänge genauer zu klären, könnte es hilfreich sein, einen Laser bekannter Linienbreite versuchsweise zu vermessen.


  • T. Weikum
    Ein System zur Fluoreszenzdetektion einzelner Cäsiumatome in einem Rubidium-Bose-Einstein-Kondensat, (2009), Diplom thesisBibTeXPDF
    Die im Rahmen dieser Diplomarbeit erlangten und hier vorgestellten Ergebnisse tragen wesentlich zum Erreichen des Experimentziels, dem Einbringen eines einzelnen Cs-Atoms in ein Rb-Bose-Einstein-Kondensat, bei. So wurde für den Einsatz am in Kapitel 4 beschriebenen Gesamtexperiment ein Rb-Rückpump-Diodenlaser mit neuem Gehäusedesign aufgebaut, um den entsprechenden älteren Diodenlaser, welcher das tägliche Experimentieren durch häuge Modensprünge signikant behinderte, zu ersetzen. Der neu aufgebaute Diodenlaser weist eine gute Frequenzstabilität auf und ist auf äußere akustische oder mechanische Störungen wenigempndlich. Für den zukünftigen Nachweis der einzelnen Cs-Atome im Rb-Bose-Einstein-Kondensat, dessen theoretische Grundlagen in Kapitel 2 kurz zusammengefasst wurden, konnte ein auf Fluoreszenzdetektion basierendes Abbildungssystems realisiert werden (Kapitel 5 und 6). Dabei gehörten die sorgfältige Analyse der Anforderungen an das Abbildungssystem und dessen an die experimentellen Bedingungen angepasstes Design genauso zu den zu bewältigenden Aufgaben, wie die theoretische Simulation der optischen Eigenschaften von ausgewählten Komponenten sowie die Verifikation dieser theoretischen Vorhersagen im experimentellen Test. Vor dem endgültigen Einbau des Fluoreszenzdetektionssystems in das Gesamtexperiment wurde dieses separat aufgebaut und vorjustiert. Mit einer abgeänderten Kollimationsoptik konnte so nach dem Einbau des Fluoreszenzdetektionssystems in das Gesamtexperiment schließlich die typische stufenförmige Ladekurve einer nur wenige Atome einfangenden Cs-MOT aufgenommen werden. Damit wurde auch der experimentelle Beweis erbracht, dass das entworfene und realisierte Detektionssystem für den Nachweis einzelner Cs-Atome sehr gut geeignet ist.
  • A. Thobe
    Quantum Jumps of One and Two Atoms in a Strongly Coupled Atom-Cavity System, (2009), Diplom thesisBibTeXPDF


  • K. Schörner
    Ein phasenstabilisiertes Lasersystem für resonatorinduzierte Raman-Prozesse , (2008), Diplom thesisBibTeXPDF
  • F. Grenz
    Ein System zur entarteten Raman-Seitenbandkühlung einzelner Cäsium-Atome , (2008), Diplom thesisBibTeXPDF
  • K. Lenhard
    Stabilisierung eines Resonators hoher Finesse zur Atom-Lichtfeld-Kopplung, (2008), Diplom thesisBibTeXPDF


  • A. Stiebeiner
    Deterministische Kopplung eines einzelnen Atoms an die Mode eines Resonators hoher Finesse, (2007), Diplom thesisBibTeXPDF
  • L. Steffens
    Aufbau einer optischen Dipolfalle zur Speicherung atomarer Bosegemische, (2007), Diplom thesisBibTeXPDF
  • D. Döring
    Ein Experiment zum zustandsabhängigen Transport einzelner Atome, (2007), Diplom thesisBibTeXPDF
  • A. Härter
    Ein Aufbau zur kohärenten Manipulation und zum zustandsabhängigen Transport einzelner Atome, (2007), Diplom thesisBibTeXPDF


  • L. Förster
    Sortierung von einzelnen neutralen Atomen mit zwei gekreuzten Dipolfallen, (2005), Diplom thesisBibTeXPDF
  • C. Grachtrup
    Aufbau einer kombinierten magnetooptischen Falle für Cäsium und Rubidium, (2005), Diplom thesisBibTeX
  • E. Vetsch
    Evaneszente-Wellen-Spektroskopie mit ultradünnen optischen Glasfasern, (2005), Diplom thesisBibTeXPDF
  • C. Weber
    Ein lasergekühlter Indiumatomstrahl zur atomaren Nanostrukturierung, (2005), Diplom thesisBibTeXPDF


  • M. Khudaverdyan
    Addressing of individual atoms in an optical dipole trap, (2003), Diplom thesisBibTeXPDF
  • B. Klöter
    Erzeugung ultrakalter Rubidiumatome zur Photoassoziation von Rubidium und Caesium, (2003), Diplom thesisBibTeXPDF
  • W. Rosenfeld
    A high finesse optical resonator for cavity QED experiments, (2003), Diplom thesisBibTeXPDF
  • M. Ringler
    Aufbau und Charakterisierung einer Magnetfalle zum Speichern und Kühlen verdünnter atomarer Gase, (2003), Diplom thesisBibTeXPDF


  • I. Dotsenko
    Raman spectroscopy of single atoms, (2002), Diplom thesisBibTeXPDF
  • Y. Miroshnychenko
    Design and test of an optical high finesse resonator for single atom experiments, (2002), Diplom thesisBibTeXPDF


  • M. Müller
    Ramankühlung einzelner Atome, (2001), Diplom thesisBibTeXPDF
    Ausgehend von den theoretischen Überlegungen wurde ein Schema zur Raman-Seitenbandkühlung eines in der optischen Dipolfalle gespeicherten Atoms vorgestellt. Hierbei wurden alle für unser Experiment wichtigen Parameter berechnet und zusätzlich die erforderlichen Bedingungen für das benötigte Lasersystem festgelegt. Dieses Lasersystem wurde aufgebaut und getestet. Mit Hilfe eines EOMs wurden die beiden Ramanlaser mit der zur Seitenbandkühlung notwendigen stabilen Differenzfrequenz erzeugt. Um effektives Kühlen zu ermöglichen, wurden die beiden Frequenzen anschließend durch ein HDW-Interferometer räumlich voneinander getrennt. Somit werden auch die experimentellen Voraussetzungen für die Raman-Seitenbandkühlung erfüllt. Man steht daher kurz vor dem Ziel, ein einzelnes Atom in den niedrigsten gebundenen Zustand im Potenzial einer optischen Dipolfalle zu überführen.
  • S. Tandler
    Atomlithographie mit einer holographisch erzeugten Lichtmaske, (2001), Diplom thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges Verfahren zur Erzeugung von Lichtmasken für die Atomlithographie erprobt. Statt der bisher üblicherweise verwende- ten Spiegelanordnung wurde hier die Lichtmaske durch ein Hologramm erzeugt, das einen Auslesestrahl in mehrere Signalstrahlen abbeugt. Mit diesem Experiment wurden erfolgreich Strukturen in eine Goldoberfläche übertragen, die mit simulierten Ergebnissen weitestgehend übereinstimmen. Diese Strukturen sind periodisch angeordnete, parallele Linien mit einem Abstand von 426 nm. Die Simulation der verwendeten Lichtmaske sagt für eine reine Dreistrahlgeometrie voraus, daß diese Linien jeweils im Abstand von 24,4 µm unterbrochen werden und versetzt weiterlaufen. Diese Versetzungen können beobachtet werden, haben allerdings keinen konstanten Abstand. Dieses Verhalten kann aber auf einen vierten Strahl, der die erwartete Lichtmaske verändert, zurÄuckgeführt werden. Insgesamt läßt sich daher sagen, daß damit der Nachweis erbracht wurde, daß sich Hologramme zur Erzeugung von Lichtmasken eignen, mit denen das Atomlithographieverfahren durchgeführt werden kann.
  • T. Herz
    Charakterisierung eines Doppel-MOT-Systems zur Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats, (2001), Diplom thesisBibTeXPDF
    Während der Zeit dieser Diplomarbeit wurde das Experiment kontinuierlich weiterentwickelt. Die Atomzahl in der oberen MOT wurde mit verschiedene Verbesserungen um den drei Größenordnungen erhöht. Die optischen Elemente des Pushing-Beams wurden aufgebaut. Ein zuverlässiger Transport von Atomen in die Glaszelle mit Hilfe des Pushing-Beams konnte sowohl im gepulsten als auch im kontinuierlichen Betrieb nachgewiesen werden. Die Eigenschaften des Atomstrahls wurden charakterisiert. Die optischen Elemente der unteren MOT wurden aufgebaut und die MOT erfolgreich in Betrieb genommen. Es wurden verschiedene Messungen zu Atomzahlen und Temperaturen an der unteren MOT vorgenommen. Die Stabilität der Falle wurde kontinuierlich verbessert und die Anzahl der gefangenen Atome wurde deutlich verbessert. Erstes Umladen in die Magnetfalle wurde erfolgreich vorgenommen. Die ersten Versuche zum optischen Pumpen vor dem Umladen in die Magnetfalle fanden kürzlich statt. Die Beobachtungsoptik zur Detektierung der kalten Atomwolke wurde fertiggestellt.
  • S. Marenbach
    Aufbau und Untersuchung eines stabilisierten Lasersystems für die Bose-Einstein-Kondensation, (2001), StaatsexamensarbeitBibTeXPDF
    An unserem BEC-Experiment werden die verwendeten Laser durch „DAVLL“-Aufbauten stabilisiert. Die Abkürzung steht für „Dichroic Atomic Vapor Laser Lock”, es handelt sich dabei um eine von mehreren möglichen Methoden zur Frequenzstabilisierung von Halbleiter-lasern; Details hierzu werden im Verlauf dieser Arbeit näher erläutert. Die vor Beginn dieser Arbeit verwendeten DAVLL-Aufbauten wiesen im praktischen Betrieb einige Nachteile auf, insbesondere konnte die geforderte Frequenzkonstanz nicht erreicht werden, da über einen Zeitraum von einigen Stunden die Frequenz der Laser um mehr als 20 MHz driftete. Im Rahmen dieser Arbeit sind die bestehenden DAVLL-Aufbauten geeignet modifiziert worden, um diesen Problemen zu begegnen. Durch die Modifikation der DAVLL-Aufbauten ist eine deutliche Verbesserung der Frequenzstabilität aller am BEC-Experiment verwendeten Laser erreicht worden. Die neu konstruierten DAVLL-Systeme befinden sich im täglichen Einsatz und erlauben ein kontinuierliches Arbeiten am Experiment über den Zeitraum von mehr als einer Stunde, ohne in der Zeit die Frequenzen der Laser neu einstellen zu müssen. Vorteilhaft ist außerdem, daß die Laser auch bei großen äußeren Störungen sicher in der Regelschleife bleiben. Zudem ist das magnetische Streufeld in der Umgebung der neuen DAVLL-Aufbauten wesentlich kleiner als vorher. Somit handelt es sich bei der entwickelten DAVLL-Konstruktion um ein kostengünstiges, leicht handhabbares und gut funktionierendes System.


  • R. Löw
    Dressing and Trapping Bose-Einstein Condensates with Light, (2000), Diplom thesisBibTeX
  • R. Bertram
    Atomstrahlumlenkung mit Magnetbändern, (2000), Diplom thesisBibTeXPDF
    Mit Hilfe von sinusförmig magnetisierten Videobändern lassen sich effiziente Reflektoren für kalte Atomstrahlen herstellen. Durch das relativ schwache Oberflächenfeld sind die reflektierbaren Energien recht klein, was die Möglichkeiten auf streifende Reflexion beschränkt. In Analogie zur Röntgenoptik, wo optische Komponenten bei streifender Reflexion bekannt sind, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Strahlumlenkung konstruiert, die durch mehrfache Reflexion an einem gekrümmten Magnetband größere Ablenkwinkel möglich macht (ein sogenannter "Flüstergalerie"-Spiegel). Dazu wurde zunächst eine Technik entwickelt, die uns aus Brighton zur Verfügung gestellten magnetisierten Bänder glatt in die gewünschte Form zu kleben. In Simulationsrechnungen wurde untersucht, welche Transmissionseigenschaften eine solche Komponente, auch bei nicht perfekter Oberfläche, zeigen sollte. Die Funktion konnte an einer flexiblen Flüstergalerie demonstriert werden, die Ablenkwinkel zwischen 3 und 25° erlaubt. Bei geeigneter Wahl des Einfallswinkels läßt sich ein räumlich enger Strahl transmittieren, bei dem die Anzahl der Reflexionen am Magnetband abgezählt werden kann. Damit konnte gezeigt werden, daß die Transmission nicht von der Anzahl der Reflexionen abhängt, die Reflektivität des Magnetbandes liegt auch im gekrümmten Fall bei nahezu 100%.
  • M. Stähler
    Optimierung eines Dunkelresonanz-Magnetometers, (2000), Diplom thesisBibTeXPDF
  • D. Schrader
    Ein Förderband für einzelne Atome, (2000), Diplom thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Apparatur entwickelt und aufgebaut, mit der neutrale Atome über eine makroskopische Strecke im Millimeterbereich transportiert werden können. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Atome im Dipolpotential einer optischen Stehwelle gespeichert, welche von zwei gegenläufi gen fokussierten Laserstrahlen gebildet wird. Durch relative Verstimmung dieser beiden Strahlen wird die Stehwellenstruktur bewegt und die Atome in deren Potentialtöpfen mitgeführt. Bei der Planung dieser Apparatur wurden verschiedene Realisierungsmöglichkeiten gegeneinander abgewogen. Konkrete Rechnungen und Abschätzungen wurden sowohl für eine rotverstimmte als auch für eine blauverstimmte Dipolfalle durchgeführt. Hier wurde sich zunachst für die experimentelle Realisierung der ersten, einfacheren Variante entschieden. Die für den Verschiebevorgang notwendige relative Verstimmung der Stehwellenstrahlen wurde mit Hilfe von akusto-optischen Modulatoren realisiert, deren Ansteuerung rein elektronisch erfolgt. Im Vergleich zu mechanischen Aufbauten können sowohl eine bessere Stabilitat als auch vielfach höhere Verschiebegeschwindigkeiten erreicht werden. Als Quelle kalter Atome dient eine magneto-optische Falle, die in einem verbesserten Aufbau realisiert wurde. Die Verwendung einer Glaszelle anstelle eines geschlossenen Vakuumtopfes gestattet im Vergleich zum Vorgängerexperiment größere experimentelle Freiheiten. Durch die Möglichkeit, den Dipolfallenlaser nun senkrecht zur Beobachtungsrichtung einzustrahlen, konnte der Streulichtuntergrund drastisch reduziert werden.
  • T. Junglen
    Optisches Pumpen am Indium-Atom mit einem frequenzverdoppelten Pulslaser, (2000), Diplom thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Konzept für die transversale Kühlung eines thermischen Indium-Atomstrahles zur späteren Verwendung in einem Atomlithographie-Experiment erarbeitet. Die mit Hilfe einer Simulation ermittelten transversalen Geschwindigkeitsverteilungen der Atome vor und hinter der Kühlstrecke belegen, daß eine transversale Kühlung erreicht werden kann. Des weiteren wurde eine Frequenzverdopplung für einen Titan-Saphir Pulslaser zur Spektroskopie am Indium aufgebaut. Bei der Frequenzverdopplung handelt es sich um eine Single-Pass-Frequenzverdopplung in einem temperaturangepaßten Kaliumniobatkristall. Zur Erhöhung der Verdopplungseffizienz wurde der Laser in den Kristall fokussiert. Hierzu wurden die optimalen Fokussierungsbedingungen ermittelt und realisiert. Mit diesem Aufbau sind Ausgangsleistungen in der zweiten Harmonischen von P = 15 mW erreichbar, die zur Spektroskopie am Indium bzw. für spätere Lichtkraftanwendungen zur Verfügung stehen. Zur Abstimmung der Laserquelle auf den atomaren Übergang wurde eine Hohlkathodenlampe verwendet. Der spektroskopische Nachweis bestand darin, optisches Pumpen am Indium-Atom nachzuweisen. Die erzielten Ergebnisse deuten jedoch leider darauf hin, daß die Leistung der Laserquelle für das geplante Vorhaben nicht ausreicht. Einer der Gründe ist sicherlich die wider erwarten gering ausgefallene Effizienz der Frequenzverdopplung. Ein weiteres Problem in diesem Zusammenhang besteht darin, daß wegen der großen spektralen Breite der Pulse zu wenig Energie auf die einzelnen Linien zugeteilt wird.


  • D. Frese
    Einzelne Atome in einer optischen Dipolfalle, (1999), Diplom thesisBibTeXPDF
    In dieser Arbeit wurde die Verwirklichung einer Dipolfalle für wenige und einzelne Atome vorgestellt. Die gezielte Präparation von kleinen atomaren Ensembles oder einzelnen Teilchen stellt eine kritische Anforderung auf dem Weg zur Erzeugung von verschränkten Zuständen dar, und die aufgebaute Dipolfalle ist der erste Schritt dahin. Von den vorgestellten Messergebnissen sind die langen Speicherzeiten besonders hervorzuheben. Es wurde gezeigt, daß die erreichbaren mittleren Speicherzeiten der einzelnen Atome nur vom Hintergrundgasdruck abhängen und somit sehr lange Speicherzeiten um die 50 s erreichbar sind. Darüber hinaus wird man durch die 100% Effizienz beim Umladen von der MOT in die Dipolfalle sowie die zweifelsfreie Bestimmung der Atomanzahl in der MOT in die Lage versetzt, die Dipolfalle deterministisch mit einer beliebigen Anzahl von Atomen zu laden. Zusammen mit den Ergebnissen der zustandsselektiven Spektroskopie verfügt man nun über eine Apparatur, die eine gewünschte Anzahl von Atomen in einen bestimmten Hyperfeinzustand präparieren kann. Insbesondere ist die Relaxationszeit für die Verteilung der Hyperfeinzustände signifikant größer als die Anregungszeit durch den VAG-Laser, in Übereinstimmung mit der Theorie.
  • M. Mützel
    Atomlithographie mit einer gepulsten optischen Stehwelle, (1999), Diplom thesisBibTeX
  • D. Gläßner
    Diodenlaser-Spektroskopie am Indium-Atom, (1999), StaatsexamensarbeitBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurden zuerst die für die Spektroskopie relevanten Charakteristika des blauen Diodenlasers untersucht und dargestellt. Von ganz besonderem Interesse war hierbei die spektrale Linienbreite des Lasers, da sie für die Spektroskopie einen limitierenden Faktor darstellen kann. Die Laserlinienbreite wurde an Hand eines Schwebungssignals zwischen dem Licht des blauen Diodenlasers und dem des ebenfalls auf die gleiche Frequenz abgestimmten frequenzverdoppelten Lasers untersucht. Diese Messungen ergaben eine obere Schranke für die Laserlinienbreite von 10 MHz. Als nächstes wurde die Absorptionsspektroskopie von Indium an der Hohlkathode vorgestellt. Mit Hilfe dieser Spektroskopie wurde der Diodenlaser auf den für die Atomlithographie ersten relevanten Übergang abgestimmt. Später wurde eine Frequenzstabilisierung des Diodenlasers auf die Hohlkathode durchgeführt. Ein Fluoreszenzspektrum wurde mit dopplerfreier Spektroskopie am Indium-Atomstrahl aufgenommen. Hier wurde die Linienbreite in Abhängigkeit von der eingestrahlten Laserintensität untersucht. Die Linienbreite ist bei kleinen Intensitäten zusätzlich zur natürlichen Linienbreite des Übergangs durch die spektrale Linienbreite des Lasers begrenzt. Die spektrale Laserlinienbreite wurde hierbei auf ebenfalls 10 MHz bestimmt. Mit Hilfe eines Interferenzfilters konnte außerdem das für die Atomlithographie wichtige optische Pumpen nachgewiesen werden.
  • S. Kuhr
    Kalte Stöße mit einzelnen Atomen, (1999), Diplom thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Einblick in die Stoßprozesse zwischen einzelnen Cäsium-Atomen gewonnen. Unsere Ergebnisse unterscheiden sich signifikant von denen anderer Experimente, die an Standard-MOTs mit vielen Atomen durchgeführt wurden. Die Beobachtung nur weniger Atome sowie die geringe Potentialtiefe der MOT haben es ermöglicht, völlig neuartige Effekte zu studieren. Die gemessene Abhängigkeit der Verlustraten wird mit Hilfe eines semiklassischen Modells zufriedenstellend gedeutet. Aus den Meßdaten kann außerdem der experimentell nur schwer zugängliche Verlustkoeffizient für Grundzustandsstöße ermittelt werden. Die Ergebnisse dieses Experiments sind hierbei um eine Größenordnung genauer als bisherige Messungen. Ein hervorzuhebendes Ergebnis ist die gemessene Abnahme der Verlustraten bei zunehmender Leistung des Rückpumplasers. Sorgfältige Berechnungen legen die Interpretation nahe, daß der Rückpumplaser eine Unterdrückung der Grundzustandsstöße durch Optical Shielding bewirkt. Es handelt sich also um einen MOT-intrinsischen Effekt, der in anderen Experimenten bisher nicht erkannt wurde. Eine Besonderheit unserer Messungen ist der Nachweis von Stoßprozessen zwischen zwei Atomen, bei denen nur ein Atom die Falle verläßt. Dies widerspricht der vorher angenommenen Symmetrie des Stoßprozesses und des Fallenpotentials. Zur Erklärung wurden verschiedene Ansätze diskutiert. Am plausibelsten erweist sich eine Interpretation, daß es sich um strahlungsumverteilende Prozesse handelt. Aufgrund der räumlichen Anisotropie des Fallenpotentials ist es dabei möglich, daß ein Atom die Falle verläßt, wogegen das andere wieder eingefangen wird.
  • M. Neufert
    Eine Rb-Atomquelle für BEC-Experimente, (1999), StaatsexamensarbeitBibTeXPDF
    Bisher sind vier komplette Lasersysteme mit den dazu gehörenden Spektroskopien und der Regelelektronik aufgebaut worden. Alle vier Laser erreichen den Kühlübergang, zwei davon zusätzlich den Rückpumpübergang. Jeder Laser ist bereits im Lock-Betrieb gewesen. Es ist stets eine optische Leistung von 25 - 30mW beim Kühlübergang zu erreichen, beim Rückpumpübergang mit etwa 15mW deutlich weniger. Für den Rückpumplaser wird jedoch auch weniger Leistung benötigt. Es wurde gezeigt, dass die zur Verfügung stehenden Lasersysteme ausreichend dimensioniert sind. Sie werden bezüglich ihrer Leistung und ihrer Frequenzstabilität alle an sie gestellten Anforderungen erfüllen.


  • C. Affolderbach
    Dunkelresonanz-Spektroskopie mit vertikal emittierenden Diodenlasern, (1998), Diplom thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Eignung von vertikal emittierenden Diodenlasern für die Spektroskopie kohärenter Dunkelzustände in Cäsium untersucht. Hierzu wurde unter Verwendung eines VCSEL-Prototypen ein experimenteller Aufbau realisiert, in dem die beiden zur Anregung der Dunkelresonanzen benötigten Lichtfelder durch direkte Modulation des Injektionsstroms erzeugt werden. Mit dem strommodulierten VCSEL wurden erfolgreich Dunkelresonanzen in thermischem Cäsiumdampf nachgewiesen. Der Einfluß der optischen Verstimmung der anregenden Lichtfelder auf die Dunkelresonanzen wurde experimentell untersucht, wobei eine von Betrag und Vorzeichen der optischen Verstimmung abhängige Asymmetrie der Linienformen gefunden wurde. Eine durch den dynamischen Stark-Effekt verursachte Verschiebung der Linienposition der Dunkelresonanzen in Abhängigkeit von der optischen Verstimmung und der Lichtintensität konnte ebenfalls experimentell nachgewiesen werden. Durch die Verwendung eines strommodulierten VCSELs kann der experimentelle Aufbau gegenüber der bislang eingesetzten phasenstabilen Kopplung zweier gitterstabilisierter kantenemittierender Diodenlaser erheblich vereinfacht werden. Der Platzbedarf der optischen Komponenten verringert sich bei Verwendung eines VCSEL um etwa einen Faktor 10 auf lediglich 600 cm^2.
  • C. Kurz
    Aufbau und Charakterisierung eines laserkollimierten Cs-Atomstrahls, (1998), Diplom thesisBibTeX
  • P. Schuh
    Reflexive Atomoptik mit permanentmagnetischen Strukturen, (1998), Diplom thesisBibTeXPDF
    Im Rahmen dieser Arbeit werden reflexive magnetische Komponenten für die Atomoptik untersucht. Die Verwendung von Selten-Erd-Permanentmagneten zur Realisierung magnetischer Spiegel erlaubt einen modularen und kompakten Aufbau verschiedenster Magnetfeldkonfigurationen bei nahezu wartungsfreiem Betrieb. Zur systematischen Untersuchung reflektiver Eigenschaften und einer detaillierten Charakterisierung der Abbildungseigenschaften wurde eine monochromatische und gut kollimierte Strahlquelle langsamer Cs-Atome aufgebaut. Durch Einsatz der Zeeman-Technik können longitudinale Geschwindigkeitsbreiten von \Delta v = 1 m/s erreicht und Endgeschwindigkeiten zwischen v = 30 m/s und 120 m/s eingestellt werden. Mit einer zweistufigen optischen Kollimation wird eine Strahldivergenz von weniger als 1 mrad bei einem atomaren Fluß von 5x10^10 Atome/s erzielt. An Spiegelanordnungen aus Sm-Co-Quadern konnte bei streifendem Einfall der Atome das Reflexionsgesetz verifiziert und die spiegelbildliche Abbildung eines Gitternetzes demonstriert werden. Die Höhe des magnetischen Potentials erlaubt die Reflexion von Einfallsenergien bis zu E = 51,9 µeV. Ein alternativer Ansatz besteht in der Ausnutzung der natürlichen Domänenstruktur magnetisch anisotroper Materialien. In dieser Arbeit konnte in ersten Experimenten eine gerichtete Reflexion an einer unmagnetisierten polierten Nd-Fe-B-Oberfläche beobachtet werden.
  • U. Reiter
    Polarisationsempfindliche Photonenkorrelationen an einzelnen Atomen in einer zeitphasenstabilen MOT, (1998), Diplom thesisBibTeXPDF
    In dieser Arbeit wurden erste Photonen-Korrelations-Experimente an einem einzigen gespeicherten Atom in einer zeitphasenstabilen MOT vorgestellt. Die Lichtfeldkonfiguration war im Gegensatz zu früheren Experimenten stabil und bekannt. Die für die Aufnahme der Photonenkorrelationen notwendigen APDs wurden speziell für diesen Zweck optimiert und charakterisiert. Das von dem Atom abgestrahlte Fluoreszenzlicht wurde polarisationssensitiv detektiert, wodurch mit Kreuzkorrelationen zwischen orthogonalen Polarisationszuständen Rückschlüsse auf die Wechselwirkung des Atoms mit dem Lichtfeld gezogen werden konnten. Anhand mehrerer systematischer Messungen für verschiedene Verstimmungen und Intensitäten wurden die sich aus der aKreuzkorrelation ergebenden Zeitkonstanten untersucht. Das Verhalten dieser Zeitkonstante mit sich ändernder Lichtverschiebung entspricht qualitativ den Erwartungen, die man aus einer als diffusiv angenommenen atomaren Bewegung erhält. Denn die Lichtverschiebung U_0 stellt ein Maß für die atomare Temperatur dar. Mit steigender Temperatur, was einer steigenden mittleren kinetischen Energie des Atoms entspricht, verkürzt sich diese Zeitkonstante, da die Änderung des lokalen Lichtfeldes im Bezugssystem des Atoms proportional zur atomaren Geschwindigkeit ist.
  • S. Knappe
    Polarisationssensitive Photonenkorrelation am einzelnen Atom, (1998), Diplom thesisBibTeXPDF
    Korrelationsfunktionen Messungen Zirkulare Polarisationen Lineare Polarisationen Schwankungen der Polarisationen der Lichtfelder Normierungen Diskussion und mögliche Ansätze zur Interpretation Räumliche Orientierung des Atoms Lichtfeldkonfigurationen der MOT Ein klassisches Zwei-Niveau-Atom Ein "echtes Zwei-Niveau-Atom" Ein einfaches Mehrniveau-Atom Atome mit höheren Drehimpulsen Oszillationsmodell Ergebnisse für Cäsium


  • M. Kreis
    Lithographie mit Cäsiumatomen, (1997), Diplom thesisBibTeX
  • U. Rasbach
    Verfeinerung der Spektroskopiemethoden zur Untersuchung Cs_2: I. IR-UV-Doppelresonanzexperimente II. Überschallmolekularstrahlexperimente, (1997), Diplom thesisBibTeX
  • A. Rauschenbeutel
    Ein neuartiges Konzept zur Kontrolle der relativen Zeitphasen in lichtgebundenen Atomgittern, (1997), Diplom thesisBibTeX


  • S. a. d. Wiesche
    Dynamik neutraler Atome in der magnetischen Quadrupolfalle, (1996), Diplom thesisBibTeXPDF
    Es wird die Dynamik neutraler Atome in der magnetischen Quadrupolfalle untersucht. Nach einer Diskussion der adiabatischen Näherung wird ein effektiv zweidimensionales HAMILTONSches System als klassisches nichtlineares Modell im Hinblick auf die Regularität der Trajektorien einzelner gefangener Atome untersucht. Es zeigt sich, daß fur niedrige Energien ein integrabier Ausdruck der Bewegungsformen herleitbar wird, der als Ansatzpunkt fur eine störungstheoretische Abschätzung verwendet werden kann. Die gefundenen analytischen Ergebnisse werden mit umfangreichen numerischen Rechnungen verglichen, die von der Methode der POINCAREschnitte Gebrauch machen. Eine Quantisierung der klassischen integrabien Dynamik gestattet näherungsweise eine Bestimmung der zu erwartenden Energieniveaus fur ultrakalte Ensembles sowie die Herleitung der kanonischen Verteilungsfunktionen. Im Hinblick auf vorhergehende wie auch auf geplante Experimente der Arbeitsgruppe kann der Einfluß nichtadiabatischer Übergänge als ein die Speicherzeit limitierender Faktor diskutiert werden. Desweiteren wird auf mögliche Kühlmechanismen eingegangen.


  • W. Trappe
    Ein stabiler Resonator für eine Diodenlaserstabilisierung, (1995), Diplom thesisBibTeXPDF
    In dieser Arbeit ist ein Diodenlaser aufgebaut worden, welcher bei einer Wellenlänge von etwa 850 nm läuft; diese wird auch für andere Experimente der Arbeitsgruppe benötigt. Der Laser ist über optische Rückkopplung (optical selfinjection locking) mittels eines Fabry-Perot-Resonators vorstabilisiert und in seiner spektralen Breite verringert worden. Für eine Stabilisierung nach dem Heterodyn-Seitenband-Verfahren stand ein hochstabiler passiver ULE-Resonator mit einem nichtentarteten Modenspektrum zur Verfügung. Dieser wurde vermessen und charakterisiert, dabei wurde die Finesse des Resonators für den TEMoo-Mode zu F = 7*10^4 bestimmt. Um den Resonator vor Erschütterungen und akustischen Störung zu schützen, wurde eine 2-stufige Federaufhängung in einer UHV-Vakuumkammer konzipiert und aufgebaut, welche Eigenfrequenzen zwischen 1 und 2,5 Hz aufweist.