Towards a 3D optical lattice potential inside an optical high-finesse cavity

Abstract

In den letzten Jahren wurden der Dicke-Phasenübergang in einem 2D Schachbrett-Gitterpotential in unserem "Cavity"-gekoppelten ultrakalten Rb87-Gasexperiment untersucht. In einem weiteren Schritt wird nun ein optisches Gitterpotential in der dritten Dimension hinzugefügt, welches die Anforderungen an die Stabilität des "Probe"-Lasers erhöht und die Frage nach einer Möglichkeit der Stabilisierung des Gitterlasers aufwirft. Ein neuer Typ einer karbonfaserbasierten "Trasfer-Cavity" mit aktiver Temperaturstabilisierung, einer hohen mechanischen Stabilität und einer geringen Wärmeausdehnung wird vorgestellt. Durch Ausnutzung des geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von unidirektional aufgebauten Karbonfaserrohren und der Unterdrückung der Wärmeausdehnung des verbauten Aluminiums und Klebstoffs entlang der optischen Achse der "Cavity" wurde ein sehr geringer Wärmeausdehnungskoeffizient der zusammengebauten "Cavity" von 1.7x10 (-6) pro Kelvin erreicht. Der verbliebene Wärmeausdehnungskoeffizient wurde zum Durchstimmen der "Cavity"-Resonanz durch Erhitzen und Konvektionskühlen genutzt. Unter Verwendung eines Toptica DLpro 780 Diodenlasers wurde die "Cavity" an ein Wavemeter als absolute Frequenzreferenz gekoppelt, wobei die sehr träge Rückkopplung auf das "Cavity"-Heizelement auf einer Zeitskala von Minuten reagiert. Als Resultat dieser sehr trägen Rückkopplung lief der Transfer-"Cavity" gekoppelte "Probe"-Laser stabil einmodigen während mehrwöchigen Betriebs. In einer 16 h Langzeitmessung betrug die Standardabweichung von der eingestellten Laserfrequenz 1.8 MHz, wobei die Frequenzabweichungen stets kleiner als 10 MHz blieben. Die Transfer-"Cavity" mit einer Finesse von 2x10 3 und einer Linienbreite von 4x10 2 kHz wurde zur Reduktion der relativen Linienbreite des "Probe"-Lasers auf einige Zehn Kilohertz verwendet. Das vorgestellte Design wurde auch in einer zweiten "Cavity" zur Stabilisierung des Gitterlasers sowie zur einhergehenden Reduktion der Heizrate der Atome genutzt.

In recent years, our cavity coupled ultra-cold Rb87 cloud experiment was used to investigate the Dicke phase transition in a 2D checkerboard lattice. In a next step, an optical lattice potential in the third dimension is being added, which increases the requirements on the stability of the probe laser and creates the need for a stabilization tool of the lattice laser. A new type of carbon-fiber based transfer cavity with active temperature stabilization, high mechanical stability and low thermal expansion used for the Pound-Drever-Hall laser lock of the probe laser is presented. By using the low coefficient of thermal expansion of unidirectional carbon fiber tubes and by suppressing the thermal expansion of aluminum and glues used in the cavity assembly along the optical axis of the cavity, a very low coefficient of thermal expansion of 1.7x10 (-6) per Kelvin of the assembled cavity was reached. The remaining coefficient of thermal expansion was used to tune the cavity resonance by heating and convection cooling. Using a Toptica DLpro 780 diode laser, the cavity was locked to a wavemeter as an absolute frequency reference with a very slow feedback loop to the cavity heater reacting on a timescale of minutes. As a result of this very slow reference lock, the transfer cavity locked probe laser showed stable single mode operation over the course of several weeks of operation. A standard deviation of 1.8 MHz from the set point wavelength was observed in a 16 h measurement, while frequency deviations stayed below 10 MHz at all times. The transfer cavity with a Finesse of 2x10 3 and a linewidth of 4x10 2 kHz was used to narrow down the relative linewidth of the probe laser to a few tens of kilohertz. The design presented was also used in a second cavity to stabilize the lattice laser and to consequently reduce heating of the atoms.