Kontinuierlich emittierender superradianter Laser auf der Basis von Interkombinationslinien von Kalzium
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Superradiante Laser sind Laser, die mit einem Überhöhungsresonator arbeiten, dessen Bandbreite deutlich größer ist als die Bandbreite des verwendeten Laser-Übergangs, sodass die beim Laser-Prozess entstehende Kohärenz nahezu ausschließlich im invertierten Laser-Medium gespeichert ist. Solche Laser können Emissionslinienbreiten im Sub-Millihertz aufweisen und eigen sich dadurch in besonderem Maße für das Auslesen von ultrastabilen Atomuhren. Der vorliegende Forschungsantrag hatte zwei auf einander aufbauende Zielsetzungen. 1) Basierend auf unserer erfolgreichen Realisierung eines gepulst emittierenden superradianten Lasers mit Hilfe des 1S0 → 3P1 -Interkombinationsübergangs von Kalzium mit einer natürlichen Linienbreite von 370 Hz sollte die Erweiterung hin zu einem kontinuierlichen Betrieb erkundet werden. Dies ist ein zentraler Schritt auf dem Weg zu möglichen zeitmetrologischen Anwendungen. 2) Es war geplant (zunächst gepulste und in der Folge auch kontinuierliche) superradiante Laseremission auch auf der deutlich schmaleren 1S0 → 3P0 -Interkombinationslinie zu demonstrieren. Die Linienbreite dieses Uhrenübergangs lässt sich mit Hilfe eines Magnetfelds von einigen Gauß im sub-Hertz-Bereich maßgeschneidert einstellen. Leider zeigten unsere Experimente, dass das Kurzpulsregime zwar sehr gut funktionierte, die neuen Zielvorgaben jedoch umfangreiche Verbesserungen hinsichtlich der Stabilität und Effizienz unserer Laserquellen sowie der Kühlverfahren erforderten, um niedrigere Temperaturen und eine höhere Anzahl von invertierten Atomen zu realisieren. Daher waren wir gezwungen, ein umfangreiches technisches Aufrüstungsprogramm durchzuführen, das im Folgenden ausführlich besprochen wird. Dies führte zu einer Reihe von erheblichen technischen Verbesserungen, die erwarten lassen, dass das Projektziel eines kontinuierlich operierenden superradianten Laser auf der 1S0 → 3P1 -Interkombinationslinie in naher Zukunft realisiert werden kann. Die erheblichen notwendigen technischen Modifikationen zusammen mit der kurz nach Projektbeginn eintretenden Pandemie führten allerdings zu einer zeitlichen Verzögerung, die es unmöglich machte, die hochgesteckten Ziele während der Projektlaufzeit zu verwirklichen. Erst gegen Ende des Jahres 2024 wurde es auf der Basis der genannten umfangreichen technischen Umbauten schließlich möglich, einen quasikontinuierlichen superradianten Laserbetrieb zu realisieren. Es konnte über Zeiträume von bis zu 20 ms Emission mit einer Bandbreite von 180 Hz, also deutlich unterhalb der natürlichen Linienbreite des verwendeten atomaren Übergangs von 370 Hz, erzielt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Towards a continuous wave superradiant calcium laser 18.07.2022, Toronto, Kanada The 27th International Conference on Atomic Physics
David Nak
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Towards a continuous wave superradiant Calcium Laser 09.03.2023, Hannover, Deutschland DPG spring conference Hannover SAMOP
David Nak
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Progress towards a continuous wave superradiant Calcium Laser 14.03.2024, Freiburg im Breisgau, Deutschland DPG spring conference Freiburg SAMOP
David Nak
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Progress towards a continuous wave superradiant Calcium Laser 15.05.2024, Hamburg, Deutschland Cavity control of quantum materials
David Nak
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Progress towards a continuous wave superradiant Calcium Laser 16.07.2024, London, Vereinigtes Königreich The 28th International Conference on Atomic Physics
David Nak
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Towards a continuous wave superradiant Calcium Laser 17.03.2024, Online DPG spring conference, Erlangen SAMOP
David Nak
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Towards a quasi-continuous superradiant calcium laser 17.10.2024, Boulder, Colorado, USA JILA Science Seminar, eingeladener Gastvortrag
David Nak
