Redistributionskühlung und Spektroskopie in dichten Rubidium-Edelgas-Mischungen

Abstract

Vor beinahe 100 Jahren wurde das theoretische Konzept der Kühlung von Materie mit Licht veröffentlicht. Dabei sollten Photonen einer schmalbandigen Lichtquelle in einem geeigneten Medium absorbiert werden um dort Prozesse anzustoßen, in deren Konsequenz mehr Energie aus dem System heraus getragen wird, als ursprünglich eingestrahlt. Erst Jahrzehnte später wurde mit dem Laser eine geeignete Lichtquelle entwickelt. Eine Möglichkeit Materie durch die Bestrahlung mit Licht zu kühlen ist die Redistributionskühlung. Sie findet ihre Anwendung in der Kühlung makroskopischer Mengen dichter Gase und basiert auf der Redistribution der Fluoreszenz. Diese beschreibt, dass unter gewissen Bedingungen die spektrale Verteilung der emittierten Photonen unabhängig davon ist, welche Frequenz das Licht hatte, mit dem die Gasteilchen zuvor angeregt wurden. Dies kann experimentell ausgenutzt werden indem das Anregungslicht gezielt zur mittleren Fluoreszenzfrequenz rotverstimmt wird. Somit wird dafür gesorgt, dass die Energie der eingestrahlten Photonen kleiner als die mittlere Energie der emittierten ist. Die Energiedifferenz dieser Photonen wird dabei dem System entzogen. Trotz des vergleichsweise simplen Konzepts dieser Methode zur Laserkühlung, ergeben sich in der experimentellen Realisation gewisse Schwierigkeiten: Einerseits müssen in dem verwendeten Alkali-Edelgasgemisch eine Temperatur und ein Druck in einem technisch herausfordernden Bereich vorliegen, damit es zu einer vollständigen Redistribution der Fluoreszenz kommt. Dazu muss das Gasgemisch in einer diesen Bedingungen gewachsenen Hochdruckzelle eingeschlossen werden. Dadurch ist eine Analyse der Vorgänge im Gasgemisch nur auf rein optische Techniken eingeschränkt. Andererseits kann es durch die Interaktion mit ungewollten Verschmutzungen im Gas auch zu einer strahlungslosen Abregung der angeregten Gasteilchen kommen, wodurch Energie im System deponiert wird, was der erwünschten Kühlung entgegenläuft. Eine weitere Anwendung der erwähnten Hochdruckzellen liegt darin, dass diese es ermöglichen Gasgemische im Labor unter extremen Bedingungen spektroskopisch zu untersuchen. In der Astrophysik gibt es Bemühungen aus dem Abgleich bekannter Spektren und astronomischer Messungen auf die Zusammensetzung und die Bedingungen in extrasolaren Objekten zu schließen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde sowohl die Redistributionskühlung experimentell untersucht, als auch spektroskopische Messungen an Gasgemischen durchgeführt. Dazu wurde zunächst eine neue Hochdruckzelle entworfen, bei der selbst entwickelte aktivgelötete temperaturfeste Hochdruckfenster als optische Zugänge genutzt werden. Darauf aufbauend konnte die Redistributionskühlung eines Gemisches aus Rubidium und Argon-Puffergas beobachtet werden. In zahlreichen Messungen konnte der Einfluss verschiedener experimenteller Parameter auf die Effizienz des untersuchten Kühlprozesses überprüft werden. Des Weiteren wurde ein Gasgemisch aus Rubidium und Helium umfangreich spektroskopisch vermessen. Für die gemessenen Absorptions- und Emissionsspektren konnte eine gute qualitative Übereinstimmung mit theoretischen Vorhersagen festgestellt werden und weiterhin die Gültigkeit der Kennard-Stepanov-Relation für dieses System bestätigt werden. Zusätzlich wurden Emissionslinien mehrerer Übergänge beobachtet und identifiziert, welche aus der Bildung von Quasimolekülen aus Rubidiumatomen mit Heliumatomen aus dem Puffergas resultieren.