Detecting cold atoms using microoptics

Abstract

Im Zuge dieser Arbeit wurden zwei wichtige Schritte in ein Experiment mit ultrakalten Atomen implementiert. Im ersten Schritt wurden lasergekühlte Rb Atome in eine magnetische Falle transferiert. Um den Transfer zu optimieren, wurde die Falle zuerst simuliert und anschließend charakterisiert. Fallenboden, Fallenfrequenzen, Atomzahlen und Lebenszeit der Atomwolke in der Falle wurden gemessen. Durch einen guten Abgleich mit der magneto-optischen Falle konnten bis zu 10 7 Atome in die magnetische Falle geladen werden. In einem zweiten Schritt wurden die Atome in der Falle gekühlt. Durch Einstrahlung elektromagnetischer Wellen im Radiofrequenzbereich werden dabei die heißesten Atome aus der Falle enfernt und die verbleibenden Atome kühlen ab. Verschiedene Frequenzrampen, Intensitäten und magnetische Fallenkonfigurationen wurden getestet. Durch Optimieren der Parameter konnte die Atomwolke um zwei Größenordnungen auf 3 mikrokelvin abgekühlt werden. Mit Hilfe von Mikrooptik wurden anschließend Photonen der gekühlten Atome detektiert und analysiert. Deren Analyse hat gezeigt, dass mit dieser Optik einzelne Atome detektiert werden können. Das ist nicht nur eine wichtige Voraussetzung für weitere Schritte in diesem Experiment, sondern auch für sich ein interessantes Ergebnis, da Detektion von einzelnen Atomen in vielen Gebieten Anwendung findet.<br />

Within this thesis two important steps have been implemented into an ultracold atom experiment. In the first step, lasercooled Rb atoms have been transferred into a magnetic trap. To optimize the transfer, the trap has been simulated and characterized. Trap bottom, trap frequencies, atom number and lifetime of the atom cloud in the trap have been measured. For good spatial matching with the magneto-optical trap, loading of up to 10 7 atoms into the magnetic trap could be achieved. In a second step, these atoms have been cooled using evaporative cooling. This is done by inducing a radio frequency field that allows to remove the hottest atoms from the trap. The result is effective cooling of the remaining atom cloud. Different frequency ramps, intensities and magnetic trap configurations have been tested. By optimizing these parameters the atom cloud could be cooled by two orders of magnitude down to 3 microkelvin. Using an integrated microoptics detector, photons emitted by the cooled atoms could be detected and analyzed. The analysis showed that single atoms can be detected with the optics. This is an important prerequisite for the next steps of the experiment. But it is also an interesting result per se, since detection of single atoms has many applications.