Experimente zur stoßinduzierten Redistributionslaserkühlung dichter atomarer Alkali-Edelgas-Mischungen und Simulationen der zu erwartenden Temperaturverteilung

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit sind Experimente zur stoßinduzierten Redistributionskühlung von dichten Gasmischungen. Der Fokus liegt hier auf Experimenten mit Rubidiumatomen in Argon-Puffergas bei hohen Drücken bis zu 230 bar, sowie hohen anfänglichen Gastemperaturen von bis zu 730 K. Für diese Gasmischungen wird eine punktuelle Kühlung von mehreren Hundert Kelvin erreicht.<br /> Bei Betrachtung der Spektren der redistribuierten Fluoreszenz lassen sich die Effizienz dieses Verfahrens sowie die erreichbare Kühlleistung abschätzen; die Kühlleistung liegt hier mehrere Größenordnungen über der in Experimenten zur Dopplerkühlung dünner atomarer Gase beobachtbaren Werte. Die Effizienz des Prozesses liegt bei den hier durchgeführten Experimenten im einstelligen Prozentbereich.<br /> Die optischen Übergänge der Alkaliatome werden durch die hohen Puffergasdrücke stark verbreitert, die Linienbreiten liegen im Bereich der thermischen Energie, betrachtet in Frequenzeinheiten. Im Bild der Alkali-Edelgas-Quasimoleküle lässt sich das Kühlprinzip geeignet beschreiben. Bei Einstrahlung von rot zu den Alkaliresonanzen verstimmtem Licht wird die zur Anregung fehlende Energie durch Stöße des Alkaliatoms mit umgebenden Puffergasatomen ausgeglichen. Nach dem Stoß entfernen sich die beiden Kollisionspartner voneinander, und der angeregte Zustand zerfällt nach seiner natürlichen Lebensdauer. Die Energiedifferenz zwischen Grund- und angeregtem Zustand wird als Fluoreszenzphoton emittiert, dessen Energie im Mittel höher ist als die des zuvor absorbierten Photons: seine Frequenz liegt näher an den Frequenzen des Übergangs eines isoliert betrachteten Alkaliatoms. Die Wärmemenge in der Größenordnung kT wird aus der Gasmischung entfernt, es tritt eine lokale Kühlung des Gases auf.<br /> Messungen der thermischen Ablenkungsspektroskopie erlauben eine Berechnung der erzielten Temperaturänderung. Bei diesem Verfahren wird die durch die Temperaturänderung hervorgerufene Dichteänderung, die einer Änderung des Brechungsindex entspricht, durch einen nicht mit der Gasmischung resonanten Tastlaserstrahl untersucht. Dessen Ausbreitungsrichtung ändert sich infolge der Propagation durch die gekühlte Region der Gasmischung. Die Verteilung der Ablenkwinkel als Funktion des Abstands zur Position des Kühllasers ermöglicht eine Berechnung der relativen Temperaturänderung im Gas.<br /> Auch wird die Laserkühlung dieser Gasmischungen im Rahmen dieser Arbeit parameterabhängig hinsichtlich der eingestrahlten Leistung, sowie der Wellenlänge des Kühllasers, und des Puffergasdrucks experimentell untersucht. Daran anschließend wird die Verwendung der beiden schwereren Edelgase Krypton und Xenon und ihre Eignung als Puffergase thematisiert, da aufgrund ihrer geringeren Wärmeleitfähigkeit verglichen mit der von Argon, höhere relative Temperaturänderungen erwartet werden.<br /> Die experimentellen Ergebnisse werden durch Simulationen zur erwarteten Temperaturverteilung und die daraus erfolgende Berechnung der Messgröße, der erwarteten Ablenkwinkel, gestützt.<br /> Abschließend erfolgt eine Darstellung der im Rahmen dieser Arbeit erstmalig realisierten Kühlung von Kaliumatomen in dichtem Argongas, sowie ein Ausblick über mögliche zukünftige Ansätze und Ziele von Experimenten zur Redistributionslaserkühung.