Effiziente Kopplung von Licht und Materie im freien Raum

• Applicant: Dr. Markus Sondermann
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 97953722

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

In dem Forschungsprojekt „Effiziente Kopplung von Licht und Materie im freien Raum“ wurden grundlegende Komponenten für Experimente zur Wechselwirkung einzelner Atome mit dem elektromagnetischen Feld erarbeitet. Das zentrale Element dieser Experimente ist ein tiefer Parabolspiegel, der nahezu den vollen Raumwinkel umfasst und somit die Fokussierung des Lichtfelds auf ein Atom aus allen Richtungen ermöglicht. Im Rahmen des Projekts wurden Lichtmoden generiert, die durch den Parabolspiegel in Dipolmoden hoher Qualität konvertiert werden und somit effizient an ein Atom mit einem entsprechenden Dipolübergang koppeln können. Speziell für Experimente zur effizienten Anregung eines Atoms mit schwachen Lichtpulsen wurden derartige Moden so in ihrem Zeitverlauf geformt, dass hohe Wahrscheinlichkeiten für die Anregung des Atoms realisiert werden können. In einem Testexperiment an einem optischen Resonator – ein System mit zum Atom vergleichbarer zeitlicher Dynamik – wurde die effiziente Einkopplung für Pulse mit optimierter zeitlicher Einhüllender demonstriert. Als atomares System wurden einzelne Ytterbium-Ionen verwendet, die erfolgreich im Brennpunkt des Parabolspiegels gefangen wurden. Dazu wurde eine neuartige Ionenfalle entwickelt und getestet, die speziell an das Problem der effizienten Kopplung im freien Raum angepasst ist. In ersten Experimenten zur Kopplung der generierten Moden an das Ion im Brennpunkt des Spiegels wurden Kopplungseffizienzen erreicht, die konkurrenzfähig zu anderen Experimenten im freien Raum sind. Zukünftige Optimierungen des Versuchsaufbaus lassen Kopplungseffizienzen nahe den im freien Raum maximal möglichen erwarten.

Publications

• Collecting more than half the fluorescence photons from a single ion. Phys. Rev. A 86, 043431 (2012)
  Maiwald R, Golla A, Fischer M, Bader M, Heugel S, Chalopin B, Sondermann M, und Leuchs G
  
• Generation of a wave packet tailored to efficient free-space excitation of a single atom. Eur. Phys. J. D 66, 190 (2012)
  Golla A, Chalopin B, Bader M, Harder I, Mantel K, Maiwald R, Lindlein N, Sondermann M, und Leuchs G
  
• Efficient coupling to an optical resonator by exploiting time-reversal symmetry. New Journal of Physics 15, 123008 (2013)
  Bader M, Heugel S, Chekhov A L, Sondermann M, und Leuchs G
  
• Efficient saturation of an ion in free space. Applied Physics B, online (2014)
  Fischer M, Bader M, Maiwald R, Golla A, Sondermann M, und Leuchs G