Diese Arbeit behandelt die Realisierung und Charakterisierung eines gepulsten, superradianten Lasers mit Kalzium. Als Laserübergang wird die Interkombinationslinie ³P₁ ↔ ¹S₀ bei 657 nm genutzt, deren natürliche Linienbreite 374 Hz beträgt.
Superradiante Pulse basieren auf der kollektiven Lichtemission von angeregten Atomen. Dabei ist die kollektive Zerfallsrate gegenüber der spontanen Zerfallsrate eines einzelnen Atoms erhöht. Für die Ausbildung eines intensiven Lichtpulses ist die Unterdrückung inhomogener Linienverbeiterungen notwendig. Dazu werden die Kalziumatome in einem eindimensionalen optischen Gitter innerhalb des Laserresonators gefangen. Um dabei nicht die Übergangsfrequenz der Interkombinationslinie zu beeinflussen, wird ein Gitter mit magischer Wellenlänge verwendet.
Die in dieser Arbeit präsentierten Messergebnisse zeigen eine quadratische Abhängigkeit der Photonenrate von der Emitterzahl N, was den kollektiven Charakter von superradianter Lichtemission widerspiegelt. Die Pulsbreiten liegen in der Größenordnung von wenigen 10 µs, was die natürliche Lebensdauer des ³P₁ - Niveaus von 417 µs deutlich unterschreitet. Die superradiante Emission wird für bis zu N = 4 × 10⁴ realisiert, resultierend in einer maximalen Photonenrate von 4 ×10⁹ 1/s, die equivalent zur Leistung P = 1 nW ist. Der kollektive Zerfall wird mit dem ersten spontan emittierten Photon ausgelöst. Die Entstehung eines klassischen superradianten Pulses ist somit das Resultat von mikroskopischen Quantenfluktuationen. Diese lassen sich auf makroskopischer Ebene in Form von zeitlich fluktuierenden Pulsverzögerungen beobachten. In dieser Arbeit erfolgt eine quantitative Untersuchung der stochastisch bedingten Initiierung des Lasings über eine statistische Datenauswertung der Pulsverzögerungszeiten bei unterschiedlichen Atomzahlen. Darüber hinaus wird die gemessene Häufigkeitsverteilung mit einem von uns entwickelten theoretischen Modell reproduziert.
Aktualisiert: 2021-12-30
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