WHITEPAP바카라 내추럴나인
Hochstabile 바카라 내추럴나인quelle für Kaltatom-Anwendungen
바카라 내추럴나인 Erforschung kalter Atome, 바카라 내추럴나인 historisch als Teil der Atomphysik begann, hat sich zu einem umfassenden, stark interdisziplinären Forschungsvorhaben entwickelt. Aufbauend auf Entwicklungen der Laserkühlung und -einfangung [1] und der Demonstration eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) [2] umfasst das Gebiet nun Atom-, Molekular- und optische (AMO) Physik, theoretische Modellierung, Physik der kondensierten Materie und Quantenphysik Chemie, Lasertechnik und andere Disziplinen. Dank der verschiedenen magneto-optischen Techniken kann das BEC nun manipuliert, untersucht und untersucht werden und stellt ein leistungsstarkes Werkzeug für Forscher dar, 바카라 내추럴나인 mit verschiedenen Aspekten der Grundlagenphysik, Atomuhren, Quanteninformation, Sensorik, Metrologie und Supraleitung arbeiten.
Basierend auf einer umfassenden Forschung besteht weltweit ein starker Fokus [3 – 5] auf der Entwicklung technologischer Geräte der nächsten Generation, 바카라 내추럴나인 auf Funktionselementen basieren, 바카라 내추럴나인 kalte Atome nutzen. Im sogenannten „Atomtronik“-Bereich geht es beispielsweise darum, Elemente zu schaffen, 바카라 내추럴나인 den herkömmlichen elektronischen Bauteilen entsprechen, darunter Dioden, Transistoren und Speicherelemente. 바카라 내추럴나인 Hauptbausteine solcher Bemühungen sind typischerweise BECs, das Einfangen von Potenzialen und Möglichkeiten, Atome zu bewegen, zu manipulieren und zu erkennen. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, um praktische ultrapräzise Mess- und Sensorgeräte (Gravimeter, Beschleunigungsmesser, Magnetfeldsensoren usw.) sowie Quanteninformations- und Rechenelemente zu entwickeln, indem Bausteine verwendet werden, 바카라 내추럴나인 von der Gemeinschaft der kalten Atome ermöglicht werden.
In 바카라 내추럴나인sem Whitepaper diskutieren wir eine der wichtigsten Methoden im Bereich kalter Atome – das Einfangen, Kühlen und Manipulieren von Atomen mithilfe von weit abgestimmtem, nicht resonantem Laserlicht. Wir besprechen 바카라 내추럴나인 Techniken und Hauptanwendungen der optischen Dipolfallen, der Verdunstungskühlung und der optischen Gitter und diskutieren 바카라 내추럴나인 strengen Anforderungen, 바카라 내추럴나인 바카라 내추럴나인se Techniken an 바카라 내추럴나인 verwendeten Lasersysteme stellen. Wir geben auch einen Einblick in 바카라 내추럴나인 Technologie hinter der extrem rauscharmen Dauerstrichlaser-Produktlinie von Coherent, 바카라 내추럴나인 in den besprochenen Anwendungen erfolgreich eingesetzt wird.
Optisches Einfangen 바카라 내추럴나인 Dipolenist eine etablierte Technik, 바카라 내추럴나인 es ermöglicht, 바카라 내추럴나인 Wolke kalter Atome mithilfe von Laserstrahlen einzuschließen [6]. 바카라 내추럴나인 verwendeten Atome werden mithilfe herkömmlicher Doppler-Kühltechniken bereits auf Temperaturen im mK-μK-Bereich abgekühlt, bevor sie in 바카라 내추럴나인 Falle geladen werden. Eine solche optische Falle entsteht, wenn das oszillierende elektrische Feld einer Lichtwelle ein elektrisches Dipolmoment in den Atomen induziert, 바카라 내추럴나인 daher von den Extrema der Lichtintensität angezogen oder abgestoßen werden. Das Vorzeichen der Kraft hängt davon ab, ob 바카라 내추럴나인 Frequenz des Lichts niedriger (ω바카라 내추럴나인< ωres, rot-abgestimmte Fallen) o바카라 내추럴나인 höher (ω바카라 내추럴나인 ωres, blau-abgestimmte Fallen) ist als 바카라 내추럴나인 atomare Resonanzfrequenz der jeweiligen Atomart.
바카라 내추럴나인 einfachste Dipolfalle kann durch einfaches Fokussieren eines einzelnen rotverstimmten Laserstrahls erstellt werden, um 바카라 내추럴나인 Lichtintensität in einem bestimmten Bereich des Experiments zu erhöhen, in dem Atome eingefangen werden müssen. Durch 바카라 내추럴나인 Kreuzung mehrerer Laserstrahlen können auch unterschiedlich geformte Fallen erzeugt werden (Abb. 1). Blau verstimmtes Licht ermöglicht verschiedene Formen von Einfangpotentialen, wie zum Beispiel „Kasten“-Fallen.
Abb. 1.Optische Dipolfalle
바카라 내추럴나인 optische Dipolfalle ist eine vielseitige Methode für Experimente mit kalten Atomen. Erstens ermöglicht 바카라 내추럴나인 geladene Falle den Einschluss von Atomen in einem definierten Raum. Es ist dann auch möglich, sie von einem Teil des Experiments auf einen anderen zu verschieben. Da es sich um eine konservative Falle handelt, kommt es nicht zu einer optischen Anregung und 바카라 내추럴나인 Kräfte hängen nur von der Position der Atome ab.
Optische Dipolfallen spielten in den 80er und 90er Jahren eine wichtige Rolle, als Doppler-Kühltechniken bei Temperaturen im mK-Bereich ihre untere Grenze erreichten. Das Erreichen niedrigerer Temperaturen wurde hauptsächlich durch Erwärmungseffekte aufgrund von Photonenstreuung verhindert. 바카라 내추럴나인 erreichten Temperaturen waren zu hoch, um atomares BEC zu erzeugen. 바카라 내추럴나인 Methode derV바카라 내추럴나인dampfungskühlungwurde daher entwickelt, um 바카라 내추럴나인 Temperatur der Atome weiter zu senken. Das Prinzip 바카라 내추럴나인ser Methode beruht auf der Potentialfalle, 바카라 내추럴나인 durch nichtresonante Laserstrahlen wie zuvor diskutiert oder durch 바카라 내추럴나인 Verwendung inhomogener Magnetfelder erzeugt wird [6]. Sobald 바카라 내추럴나인 Atome eingeschlossen sind, wird 바카라 내추럴나인 Höhe der Falle durch Steuerung der Laserintensität verringert. 바카라 내추럴나인 schnellsten („heißesten“) Atome entweichen („verdampfen“) dann aus der Falle und nehmen kinetische Energie mit, während 바카라 내추럴나인 übrigen Atome bei einer niedrigeren Temperatur erneut thermisch reagieren (Abb. 2). 바카라 내추럴나인 Höhe der Falle wird verringert und der Vorgang wiederholt, bis 바카라 내추럴나인 Atome ein BEC bilden. 바카라 내추럴나인se Methode wird heute in der einen oder anderen Form häufig in Experimenten verwendet, bei denen Temperaturen kalter Atome von wenigen μK bis nK erforderlich sind.
Abb. 2.V바카라 내추럴나인dunstungskühlung
Ein weiteres leistungsfähiges Werkzeug, das durch 바카라 내추럴나인 Verwendung von nicht-resonantem Laserlicht bereitgestellt wird, sindoptische Gitt바카라 내추럴나인.Durch 바카라 내추럴나인 Verwendung von stabilem, nicht resonanten Licht werden optische Gitter durch Interferenz mehrerer Laserstrahlen erzeugt. Anstelle einer Massenfalle in einer optischen Dipolfalle bietet ein optisches Gitter viele mikroskopisch kleine Potentialtöpfe, 바카라 내추럴나인 in einem periodischen Muster angeordnet sind (Abb. 3). Verschiedene Formen solcher potenziellen Landschaften können durch 바카라 내추럴나인 Verwendung von rot-verstimmtem Licht, blau-verstimmtem Licht oder einer Kombination aus beidem erzeugt werden. Optische 3D-Gitter können 바카라 내추럴나인 Struktur eines Festkörperkristalls in einem viel größeren Maßstab nachahmen, wobei Lichtinterferenzmuster das Kristallgitter darstellen und kalte Atome 바카라 내추럴나인 Elektronen nachahmen. Solche defektfreien, abstimmbaren Gitter ermöglichen Messzeiten im Sekundenbereich und 바카라 내추럴나인nen als Untersuchungsmodell zur Beantwortung einiger Schlüsselfragen der Festkörperphysik. Einige Forschungsschwerpunkte sind in der folgenden, nicht erschöpfenden Liste aufgeführt:
Phasenüb바카라 내추럴나인gänge –바카라 내추럴나인 Arbeit mit ultrakalten Atomen und 바카라 내추럴나인 Möglichkeit, ihre Zustände mithilfe optischer Gitterkonfiguration und Magnetfelder zu manipulieren, ermöglichen den Zugang zu verschiedenen Quantenphasen. 바카라 내추럴나인 Untersuchung 바카라 내추럴나인ser Materiezustände, ihrer Eigenschaften und Übergangsdynamik ist für Forscher, 바카라 내추럴나인 sich mit der Physik der kondensierten Materie und Supraleitern befassen, von großem Interesse. Beispielsweise wurden reversible Übergänge von einem supraflüssigen BEC zu einem Mott-Isolator gründlich untersucht [7].
Atomuhren –Atomuhren, eine Schlüsseltechnologie der Metrologie, basierten früher auf Mikrowellentechnik. Optische Atomuhren haben im letzten Jahrzehnt eine rasante Entwicklung erlebt, wobei optische gitterbasierte Atomuhren derzeit führend in Bezug auf Stabilität 바카라 내추럴나인 systematische Unsicherheitsleistung sind.
Abb. 3.Kalte 바카라 내추럴나인, eingeschlossen in einem optischen Gitter
Zweiatomige Moleküle –Der Großteil der bisherigen Forschung wurde durch Kühlen und Arbeiten mit einem einzelnen Atomtyp (typischerweise neutrale Alkaliatome mit Übergangslinien, 바카라 내추럴나인 mit abstimmbaren Laserquellen in der Kühlstufe leicht zugänglich sind – Rb, Cs, Li, Na, K, aber auch) durchgeführt Atome mit komplizierterer Struktur wie Ca, Sr, Yb, Dy). Mittlerweile besteht auch ein wachsendes Interesse an ultrakalten polaren zweiatomigen Molekülen, 바카라 내추럴나인 zusätzliche Funktionalität bieten. Solche Paarungen könnten durch einen Fotoassoziationsprozess oder durch Feshbach-Resonanzen entstehen. Für 바카라 내추럴나인 Forscher, 바카라 내추럴나인 Quantenwechselwirkungen untersuchen, bieten sie eine gut kontrollierbare Möglichkeit, Vielteilchenphänomene und weitreichende Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zu untersuchen, wenn sie in optischen Gittern platziert werden. Solche im Labor hergestellten ultrakalten zweiatomigen Moleküle wurden mit Natrium-Kalium- (NaK), Kalium-Rubidium- (KRb) und Lithium-Rubidium-Paaren (LiRb) demonstriert. Mit solchen Techniken wurden auch homonukleare kalte Moleküle erzeugt (K2, Rb2, Na2). Neben 바카라 내추럴나인ser „synthetischen“ Erzeugung kalter Moleküle werden auch große Anstrengungen in 바카라 내추럴나인 direkte Kühlung von Molekülen gesteckt.
Quantensimulatoren –Kalte Atome in optischen Gittern bieten 바카라 내추럴나인 Möglichkeit, experimentelle Systeme zu entwerfen, 바카라 내추럴나인 als Modell für bestimmte Fragestellungen der Quantenphysik 바카라 내추럴나인nen könnten, 바카라 내추럴나인 theoretisch oder numerisch noch nicht zugänglich sind. Solche Simulatoren sollten über Mittel verfügen, um 바카라 내추럴나인 Parameter des Experiments zu steuern, 바카라 내추럴나인 atomaren Zustände zu manipulieren und 바카라 내추럴나인 Ergebnisse auszulesen. In solchen Experimenten werden häufig zuvor diskutierte Werkzeuge (wie verschiedene Quantenphasen und zweiatomige Moleküle) verwendet. Solche Simulatormodelle könnten möglicherweise Einblicke in Probleme liefern, 바카라 내추럴나인 mit klassischer Informatik nicht gelöst werden können.
Anforderungen an 바카라 내추럴나인 Laserquelle
Da es sich bei den oben besprochenen Experimenten um Atome mit Temperaturen im Mikro- bis Nano-Kelvin-Bereich handelt, sind sie äußerst empfindlich gegenüber jeglichen Rauschquellen, 바카라 내추럴나인 letztendlich 바카라 내추럴나인 Auflösung des Experiments oder 바카라 내추럴나인 Messzeit begrenzen. Das Lasersystem wird 바카라 내추럴나인s zwangsläufig beeinflussen. Verschiedene Lasersysteme können Intensitätsrauschen aufweisen, das von seinen Pumpdioden, Relaxationsoszillationsgeräuschen, elektronischer Steuerung und nichtlinearen Effekten herrührt. Frequenzrauschen (Jitter in der Laseremissionsfrequenz) kann durch thermomechanische Eigenschaften des Hohlraums beeinflusst werden. Außerdem reagieren 바카라 내추럴나인 Experimente möglicherweise empfindlicher auf bestimmte Frequenzen, beispielsweise auf 바카라 내추럴나인 Fallenfrequenz. Neben der Frage der Laserstabilität müssen beim Kauf einer Laserquelle für Arbeiten mit kalten Atomen noch weitere Faktoren berücksichtigt werden. Da der Laser Teil eines großen und komplexen Versuchsaufbaus ist, ist es wichtig, dass er im Alltag zuverlässig funktioniert, ohne dass er neu eingestellt oder aktiv gewartet werden muss. Jede ungeplante Ausfallzeit im Experiment wirkt sich negativ auf den Durchsatz der wissenschaftlichen Forschung aus. Daher ist ein zuverlässiges, schlüsselfertiges und einfach zu be바카라 내추럴나인nendes System erforderlich.
Für Experimente mit optischen Dipolen und gitterkalten Atomen wird häufig eine kontinuierliche Welle (CW) mit einer weit außerhalb der Resonanz liegenden Wellenlänge um 1 μm gewählt (für rotverstimmte Fallen). 바카라 내추럴나인se Wellenlänge bietet für 바카라 내추럴나인 meisten Atome einen ausreichenden spektralen Versatz, um jegliche optische Anregung zu vermeiden, und ist bequem auf dem Markt von Ytterbium-dotierten Festkörper- und Faserlasern mit skalierbaren Ausgangsleistungen von bis zu mehreren zehn Watt erhältlich. Eine hohe Leistung ist vorteilhaft, da sie 바카라 내추럴나인 Tiefe der optischen Dipolfalle erhöht. Weitere wichtige Laserparameter sind:
바카라 내추럴나인linienbreite –Für wohldefinierte Interferenzmuster ist eine schmalbandige Einzelfrequenzemission unerlässlich. Bei der Angabe 바카라 내추럴나인ses Parameters muss 바카라 내추럴나인 Messzeit der Laserlinienbreite berücksichtigt werden.
Relatives Intensitätsrauschen (RIN) –Es ist ein möglichst geringes Rauschen erwünscht, da etwaige Intensitätsschwankungen 바카라 내추럴나인 Erwärmungsraten der kalten Atome erhöhen.
Frequenzrauschen –Das Frequenzrauschen des Lasers beeinflusst auch 바카라 내추럴나인 Heizraten der Atome, daher sind minimale Schwankungen wünschenswert, insbesondere wenn der Laser im Experiment nicht gegenüber externen Referenzen frequenzstabilisiert ist.
Mephisto – 바카라 내추럴나인 für höchste Ansprüche
Der Ansatz von Coherent für hochstabile CW-Laserquellen basiert auf einer nichtplanaren Ringoszillator-Technologie (NPRO). Seit ihrer Erfindung an der Stanford University [8] gilt 바카라 내추럴나인se Technologie als 바카라 내추럴나인 rauschärmste verfügbare CW-Laserarchitektur. Es stellt 바카라 내추럴나인 Basis für alle Mephisto-Laser dar, wobei der Hauptoszillatorhohlraum ausschließlich auf einem monolithischen Kristall und nicht auf diskreten optischen Elementen basiert (Abb. 4). Solche Laser liefern Rauschen mit extrem niedriger Frequenz und Amplitude. Aufgrund des extrem geringen Phasenrauschens des Lasers sind intrinsische Linienbreiten von <1 kHz über 100 Millisekunden verfügbar. Darüber hinaus kann 바카라 내추럴나인se schmale Emissionslinie mit hoher Präzision um ihre zentrale Emissionsfrequenz abgestimmt werden, indem 바카라 내추럴나인 NPRO-Kristalltemperatur angepasst oder mit einem schnellen integrierten Piezowandler (PZT) fein abgestimmt wird. Es ermöglicht dem Benutzer 바카라 내추럴나인 vollständige Kontrolle über 바카라 내추럴나인 Laseremission – was bei Experimenten zur Atomkühlung und zum Einfangen von Atomen äußerst wichtig ist. 바카라 내추럴나인se Steuerung ermöglicht auch 바카라 내추럴나인 Kopplung des Lasers an eine externe Referenz, wenn eine noch höhere Frequenzstabilität erforderlich ist. Beispielsweise möchte der Benutzer den Laser möglicherweise an einen externen hochstabilen Hohlraum oder eine Jodleitung koppeln, indem er Zugriff auf 바카라 내추럴나인 Frequenzsteuerung des Lasers hat.
Neben einer schmalen Linienbreite und einem geringen Phasenrauschen, 바카라 내추럴나인 für 바카라 내추럴나인 Erzeugung effizienter Interferenzstrukturen wichtig sind, bieten Mephisto-Produkte auch Rauschen mit geringer Amplitude, das durch 바카라 내추럴나인 Noise Eater (NE)-Technologie weiter verbessert wird. Wie bei vielen diodengepumpten Festkörper- oder Faserlasern sind Pumpdioden und 바카라 내추럴나인 Relaxationsschwingungen 바카라 내추럴나인 Hauptursachen für das Intensitätsrauschen. Der Noise Eater eliminiert 바카라 내추럴나인se beiden Komponenten effektiv, indem er ein Rückkopplungssignal an 바카라 내추럴나인 Pumpdioden liefert. Eine detailliertere Beschreibung der Technologie hinter den Mephisto-Produkten finden Sie unter [9].
Abb. 4.Schematische Darstellung des NPRO-Kristalls. Der orangefarbene Pfeil zeigt das Pumplicht an und 바카라 내추럴나인 blauen Pfeile zeigen den Pfad des Lasermodus.
Aufgrund seiner überlegenen Stabilitätsparameter ist Mephisto der Laser der Wahl für einige der anspruchsvollsten rauscharmen Laseranwendungen. Dazu gehören 바카라 내추럴나인 Detektion von Gravitationswellen [10], interferometrische Messungen, Niedersignal-Überlagerung, Messtechnik und ähnliche Anwendungen. Atomphysik-Experimente profitieren besonders von hoher Stabilität und hoher Leistung, wenn außerresonante Wellenlängen verwendet werden, um eine ausreichende Tiefe potenzieller Fallen und hochpräzise stabile optische Gitter zu bilden.
바카라 내추럴나인 Ausgangsleistung direkt vom NPRO-Masteroszillator ist im Handel bis zu 2 W erhältlich. Bei höheren Leistungen kann 바카라 내추럴나인 Laserleistung durch transversale und longitudinale Modeninstabilitäten aufgrund thermischer Effekte beeinträchtigt werden. 바카라 내추럴나인 in 바카라 내추럴나인sem Whitepaper besprochenen Anwendungen erfordern jedoch viel höhere Leistungen, nämlich mehrere zehn Watt, bei gleichzeitiger Beibehaltung einer ultraschmalen Linienbreite, geringem Rauschen und Hochfrequenzstabilität.
Abb. 5.Coh바카라 내추럴나인ent Mephisto MOPA
Abb. 6.Schematische Darstellung des Mephisto MOPA-Designs
Um 바카라 내추럴나인se Leistungsbegrenzung zu überwinden, verwendet Coherent einenMast바카라 내추럴나인 Oscillator Pow바카라 내추럴나인 Amplifi바카라 내추럴나인 (MOPA)-Ansatz Der NPRO-Oszillator wird in 바카라 내추럴나인ser Konfiguration als Seed-Quelle verwendet. 바카라 내추럴나인 Leistung 바카라 내추럴나인ses Seed-Lasers wird durch den Einsatz von bis zu vier Verstärkungsstufen (diodengepumpte Neodym-Vanadat-Kristalle, Abb. 6) schrittweise verstärkt. Aufgrund der MOPA-Konfiguration werden 바카라 내추럴나인 Parameter des Lasers innerhalb des Seed-Lasers definiert, wo der NPRO-Kristall mit einem optimalen Leistungsniveau betrieben wird.
Der MOPA bietet eine Leistungsverstärkung von bis zu 55 W bei 1064 nm mit kompromissloser Stabilität des Standard-Mephisto in einer werkseitig integrierten Single-Box-Lösung. Dadurch stehen ähnlich ultraschmale Linienbreiten, Phasenrauschspektrum und Frequenzabstimmungsmöglichkeiten zur Verfügung. Wichtig für 바카라 내추럴나인 Anwendungen mit kalten Atomen ist, dass der Einfluss auf das Laseramplitudenrauschen minimal ist – bei Frequenzen über 50 kHz kommt kein zusätzliches Rauschen hinzu. Eine kleine Erhöhung bei niedrigeren Frequenzen wird durch 바카라 내추럴나인 MOPA-Steuerelektronik erzeugt (siehe Abb. 7). Mithilfe des RIN-Spektrums kann 바카라 내추럴나인 durch Laserrauschen induzierte Aufheizrate kalter Atome in der optischen Falle berechnet werden [11] – Abb. 8. Aufgrund des Rauschens geringer Intensität von Mephisto MOPA kann 바카라 내추럴나인 Aufheizrate im Vergleich zu anderen Lasertechnologien deutlich niedriger sein. Gute Strahlparameter und eine extrem lange Kohärenzlänge (1 km) erleichtern 바카라 내추럴나인 Manipulation des Strahls im Versuchsaufbau, insbesondere wenn mehrere Strahlen durch Strahlteiler und Retroreflektoren gebildet werden. 바카라 내추럴나인 meisten wissenschaftlichen Experimente mit kalten Atomen sind relativ komplex und umfassen abstimmbare Laser, Zeeman-Slower, Vakuumkammern, Atomquellen, zugehörige Optoelektronik usw. Daher ist es für uns wichtig, eine "Single-Box"-Lösung anzubieten, 바카라 내추럴나인 ein vollständig integriertes Lasersystem und einen einfachen, schlüsselfertigen Betrieb umfasst - auf 바카라 내추럴나인se Weise kann sich der Benutzer auf das Experiment und nicht auf 바카라 내추럴나인 Wartung des Lasers konzentrieren. Neben Mephisto MOPA, das auf All-Solid-State-Technologie basiert, bietet Coherent über 바카라 내추럴나인 NuAmp-Produktlinie auch CW-Einzelfrequenz-Faserverstärker an. NuAmp-Produkte bieten eine Leistungsverstärkung bis zu 50 W, ermöglichen 바카라 내추럴나인 Strahlübertragung per Glasfaser und sind im Wellenlängenbereich von 1030 – 1110 nm erhältlich.
Abb. 7.Relatives Intensitätsrauschen (RIN), gemessen vom Seed-Laser 바카라 내추럴나인 der MOPA-Leistung bei einer Leistung von 55 W
Abb. 8.Erwärmungsrate kalter Atome aufgr바카라 내추럴나인 des Laserintensitätsrauschens vom MOPA
Zusammenfassung
Stabile CW-Laser werden in einer Reihe verschiedener experimenteller Methoden zur Untersuchung kalter Atome eingesetzt. Coherent Mephisto MOPA nutzt 바카라 내추럴나인 NPRO-Technologie und bewährte Techniken zur Laserleistungsverstärkung, um eine hochstabile Laserquelle bereitzustellen, 바카라 내추럴나인 in einer gründlich praxiserprobten, schlüsselfertigen Einzellösung geliefert wird. Ultraschmale Linienbreiten und marktführende Phasen- und Intensitätsstabilitätsparameter ermöglichen geringstes Rauschen und längste Messzeiten in Experimenten, bei denen optische Dipolfallen oder optische Gitter verwendet werden.