Combined polarisation and absorption imaging for experiments with nanofiber trapped atoms

Abstract

In der Gruppe von Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel ist die Verwirklichung einer neuen Atom-Licht-Schnittstelle als faser-optische Komponente für die Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation geplant. Der Hauptbestandteil des Experiments ist eine optische Nanofaser - eine Faser mit einem Durchmesser kleiner als die Wellenlänge des darin geführten Lichts - welche dazu benutzt wird kalte Atome zu fangen und an das geführte Licht zu koppeln. Das Ziel dieses Experiments ist es Cäsiumatome entlang der Faser zu fangen, um für Licht in der Faser eine hohe optische Dichte von 100 bis 300 zu erreichen. Dies ist für eine erfolgreiche Implementierung vieler quantentechnologischer Protokolle wie zum Beispiel Quantenspeicher erforderlich. Eine Voraussetzung für eine stabile Nanofaser-basierte Falle ist eine genaue Kontrolle über die lokale Polarisation des in der Faser geführten Lichtes, sowie die Charakterisierung der Atomwolke die zum Laden der Nanofaser-Falle verwendet wird. Zu diesem Zweck wurde eine Abbildungstechnik implementiert, welche eine Untersuchung der Faser mittels Fluoreszenzabbildung und eine Untersuchung der Atomwolke in einer magneto-optischen Falle mittels Absorptionsabbildung erlaubt. Auf diese Weise kann der Kühlvorgang und das Laden der Nanofaser-Falle überwacht und optimiert werden. Das kombinierte Abbildungssystem erlaubt die Feststellung von Größe, Form, sowie Temperatur der Atomwolke als auch die Polarisation des Fallenlichts auszurichten.

In the group of Prof. Dr. Arno Rauschenbeutel, a new atom-light interface is implemented to work as an optical fiber-component for quantum information processing and communication. The key ingredient of this interface is an optical nanofiber, a fiber with a sub-wavelength diameter, that is used to trap and interface cold atoms with guided light in the fiber. The goal of this experiment is to trap Cesium atoms along the fiber to yield suitable optical densities for many quantum protocols such as quantum memories (OD - 100 to 300). One crucial requirement for stable trapping is precise control over the local polarization of the nanofiber-guided light fields, as well as the characterization of the atomic cloud used to load the nanofiber trap. For this, fluorescence imaging of the nanofiber and absorption imaging of the magneto-optically trapped atom-cloud was implemented to characterize and optimize the cooling and loading of atoms into the dipole trap. The imaging system allows for determining the position and shape of the cloud, measuring the temperature of the atoms, and adjusting the polarization of the trapping light.