Authors:	Stappel, Matthias
Title:	Eine vakuumultraviolette Laserquelle zur Rydberganregung von Calciumionen
Online publication date:	18-Jan-2016
Year of first publication:	2016
Language:	german
Abstract:	In dieser Arbeit werden die Ergebnisse zur Rydberganregung von gefangenen Calciumionen vorgestellt. Im Rahmen der Promotion gelang der erstmalige Nachweis einer Anregung eines in einer Paulfalle gefangenen und lasergekühlten Calciumions in einen Rydbergzustand. Dieser Übergang wird durch einen optischen Einphotonenprozess erreicht, der mit einem kohärenten Lichtfeld im vakuumultravioletten Wellenlängenbereich getrieben wird. Auf diese Weise wurden drei Rydbergresonanzen bei Anregungswellenlängen von 122,041913(5) nm, 122,032384(10) nm und 122,04050(5) nm gemessen, die mit den Zustanden 51F, 52F und 64F identifiziert werden konnten. Des Weiteren werden die Ergebnisse zu Experimenten mit doppelt ionisierten Calciumionen präsentiert. Dabei konnte erstmalig eine Wechselwirkung zwischen gefangenen und lasergekühlten Calciumionen und vakuumultravioletter Strahlung nachgewiesen werden. Unter der Verwendung von Licht bei einer Wellenlänge von 121,3 nm werden Ca2+-Ionen erzeugt, die mit den übrigen Ca+-Ionen aufgrund des sympathischen Kühleffekts einen stabilen heterogenen Kristall ausbilden. An solchen Ionenkristallen konnten die Modenstruktur untersucht, strukturelle Phasenübergange beobachtet und lokale Moden erzeugt werden. Es werden Weiterentwicklungen der Lasersysteme zur Erzeugung vakuumultravioletter Strahlung bei 122 nm durch Vierwellenmischen in Quecksilberdampf vorgestellt, die für erzielten Ergebnisse essentiell sind. Ein Lasersystem mit einer optischen Leistung von über einem Watt bei einer Wellenlange von 555 nm wurde aufgebaut. Durch Verwendung eines periodisch gepolten Kristalls zur Frequenzverdopplung ist eine hohe Leistungsstabilität und eine kontinuierliche Frequenzverstimmbarkeit des Systems gewährleistet, was Voraussetzung für die Messung der Rydbergresonanzen ist. Darüber hinaus wurde eine Frequenzverdopplung im Zweifachdurchgang durch einen periodisch gepolten Kristall aufgebaut. Damit konnte eine optische Leistung von 12,8 W bei einer Wellenlänge von 545 nm erzielt werden. Die erreichte Konversionseffizienz von 60 % stellt den höchsten Wert für periodisch gepolte Kristalle in dieser Leistungsklasse dar. Dieses Schema kann in Zukunft auf die Frequenzverdopplungen zur Erzeugung der fundamentalen Felder angewendet werden. Durch eine verbesserte Fokussierung und Ausrichtung der Fundamentalstrahlen in der Quecksilberdampfzelle wurde die Effizienz des Vierwellenmischprozesses erhoht. Es konnte eine optische Leistung der vakuumultravioletten Strahlung von 60 μW erzielt werden, was eine Steigerung um einen Faktor zehn verglichen zu früher erzielten Ergebnissen darstellt. In this thesis measurements of trapped, Rydberg excited calcium ions are presented. This is the first time that an excitation of cold ions into high lying Rydberg states has been demonstrated. This transition is driven by a one-photon excitation with a coherent, continuous-wave electromagnetic field in the vacuum ultraviolet spectral region. Three Rydberg states with excitation wavelengths at 122.041913(5) nm, 122.032384(10) nm and 122.04050(5) nm are observed and can be identified as the 51F, 52F and 64F states, respectively. Furthermore, studies of mixed ion crystals of Ca+ and Ca2+ ions are presented. The exposure of trapped calcium ions to vacuum ultraviolet light at a wavelength of 121.3 nm leads to photoionization and states the first observed interaction between trapped ions and vacuum ultraviolet radiation. Sympathetic cooling of a doubly charged ion through the remaining calcium ions enables the formation of a stable heterogeneous ion crystal. Vibrational modes, phase transitions in the configuration of these ion crystals and local modes are investigated. Further development of the fundamental laser systems for the generation of vacuum ultraviolet radiation by four-wave mixing in mercury vapour was essential for the achieved results. A robust laser system at a wavelength of 555 nm has been designed and set up with an output power of more than 1 W. Single-pass second-harmonic generation in a periodically poled crystal assures high power stability and a reliable frequency scanning of the laser system, which is required for a measurement of the Rydberg resonances. Additionally, double-pass second-harmonic generation in a periodically poled crystal with an output power of 12.8 W at a wavelength of 545 nm has been demonstrated. This corresponds to an conversion efficiency of 60 %, which is the highest value achieved for a periodically poled crystal in this regime of optical power. The double pass scheme might be applied to the frequency doubling stages used for the generation of the fundamental fields. Improvement of the focussing and alignment of the fundamental beams in the mercury vapour cell lead to a higher efficiency of the four-wave mixing process. Vacuum ultraviolet radiation with an optical power of 60 μW could be generated, which is a improvement by a factor of ten compared to former achievements.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4207
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000000524
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	83 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen