Laserspektroskopie. Präsentationsmaterialien Optik, Licht & Laser. Kapitel 11

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1 Präsentationsmaterialien Optik, Licht & Laser Kapitel 11 Laserspektroskopie Copyright: Die graphischen Materialien aus diesem DoKument dürfen frei für Präsentationen zum Beispiel in der Lehre verwendet werden. Ein angemessenes Zitat wird erwartet. Die Materialien dürfen für kommerzielle Zwecke nicht verwendet werden.

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3 Sättigungsverbreiterung 1,0 s 0 = ,0.1 s0: Sättigungsparameter Verstimmung δ/γ'

4 Wichtige spektroskopische Linienformen 1 Lorentz-Linie Gauß-Profil exp(- δ/γ )-Profil 0, Resonanzlinie im Ruhsystem Verstimmung δ/γ' Doppler-verbreiterte Linien Durchflugszeit-verbreiterte Linien

5 Stoßverbreiterung von Spektrallinien τ ia τ ia τ st τ ia Modell der Wechselwirkung beim Stoß t Relevante Zeiten bei Stoßprozessen

6 Durchflugszeit-Verbreiterung 2w 0 laser atomic trajectories

7 Fluoreszenzspektrum eines Indium-Atomstrahls Laser Excitation Atomic/Molecular Beam Detector v/v ~ 1:100 Fluoreszenz Intensität In 5 2 P 1/2-5 2 S 1/2, λ = 410 nm 2 S 1/2 2 P 1/2 8.4 GHz 11.4 GHz Oven, thermal (Knudsen cell) Verstimmung [GHz]

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9 Sättigungsspektren an einer Caesium-Dampfzelle B=0 B=0,5 G Cäsium-D2-Linie (852,1 nm) F= P 3/ (2,3) (2,4) (3,4) (Details: O. Schmidt, K.-M. Knaak, R. Wynands, D. Meschede, Appl. Phy. B (1994)) S 1/2

10 Zweiphotonen-Spektroskopie Notwendige Voraussetzung: Erfindung des durchstimmbaren Farbstofflasers Beobachtetes Anregungsspektrum Energiediagramm von Natrium (Ausschnitt) Ergänzung zu: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.11

11 Laserspektroskopie: Die Lyman-α-Linie, die genaueste bekannte Frequenz: Hα nm f1s2s = (46) khz (entspricht Lα - 121,6 nm; M. Niering et al., Phys. Rev.Lett. 84, 5496 (2000)) Hγ nm Zum Vergleich: Balmer-Spektrum von Wasserstoff 20 1s 1 khz Verstimmung (khz at 243 nm) 2005 B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden 2 x 243 nm Hβ nm THz Zählrate (s-1) 2s

12 Dopplereffekt 2. Ordnung 1s-2s-Zweiphotonen-Resonanz von atomarem Wasserstoff v +k=2π/λ -k ω Dopp (1.0) = ±(2πv/λ) 2S-Signal [1000 s -1 ] n Lab = n Rest (1+ v c cos(q) + 1 ( v ) ) 2 c 1. order 2. order K 100 K 40 K 7 K Verstimmung [khz bei 243 nm] mit frdl. Erlaubnis von T. Hänsch

13 Freier Induktionszerfall (FID) und Photonenecho T π/2 π T T* e -γt "Echo" t "FID" v t u t = T - T + 2T - 2T

14 Beobachtung von Wellenpaketen am Na-Molekül + - Na 2 + e Ionisationslaser ("Probe") Energie v = Anregungslaser ("Pump") + Na -Ionenzählrate 2 T=306 fs v = r(å) Verzögerungszeit (ps) (nach T. Baumert et al., Phys. Rev. Lett. 67, 3753 (1991))

15 Photonen-Rückstoß als Grundlage der Laserkühlung hk hk p = m v = hk mittlerer Impulsübertrag

16 Atomstrahlablenkung durch Strahlungsdruck Z. Physik 86, 42, 1933 Atomic Beam Detector Sodium Atomic Beam Sodium- Vapor Lamp Electrometer Auslenkung

17 Zeeman-Kühlen eines Atomstrahls Atomstrahl- Quelle Brems-Laser Blenden Zeeman-Magnet gemessene Geschwindigkeitsverteilungen kv, gµb/h thermische Verteilung kv initial kvend Atom-Geschwindigkeit (m/s) v end

18 Magneto-optische Falle σ+ σ+ I I σ+ z σ y x σ σ -1 l'=1, m' = 0 1 l = 0, m = 0 ω L <ω 0 Energie ω L <ω 0 B(x)=B 0.x σ+ σ x

19 Lichtkräfte in der optischen Melasse ω Λ ω Α F + F v F - Kraft F 0 F - F + ω L < ω Α ω L < ω Α 0 Geschwindigkeit

20 Ramsey-Spektrokopie, atomarer Springbrunnen M. Kasevich et al., Phys. Rev. Lett. 63, 612 (1989) F=3 Natrium Energieniveaus Nachweislaser, 589 nm F=2 F= MHz Hyperfeinstruktur optische Melasse Ergänzung zu: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.11

21 Atomlithographie Spiegel Substrat Caesium- Atomstrahl optische Stehwelle 200 λ/4 optische Stehwelle 100 x [nm] 0 Prisma (a) Caesium- Atomstrahl (b) z [µm] λ/4 nm nm (c) 8,5 µm 0 Review: D. Meschede, H. Metcalf, J. Phys. D 36, R17 (2003)

22 Optische Pinzette ( Optical Tweezer ) Intensitätsprofil Laserstrahl Kraft auf die Glaskugel Impulsänderung Lichtstrahlen

23 Schema eines Lock-In-Verstärkers Laser Probe Frequenz- Generator L(x,t) Vervielfacher Phasen- Schieber f R nf R 2πnf R t+φ M(x,t) T(f) Tiefpass f S(x,t) P, λ z.b. Leistungs- oder Wellenlängenmodulation L(x,t): Lorentz-förmiges Signal, x=(ω L -ω)γ: Verstimmung

24 Laserspektroskopie: Entwicklung von Hochvakuum-Pumpen ~ 1913 Ergänzung zu: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap B.G. Teubner / GWV Fachverlage Wiesbaden

25 Laser-Frequenzstabilisierung mit einer Absorptionslinie Laser Spektroskopie -zelle Signal, z.b. vom Lock-In-Verstärker Frequenz Rückkopplubg (z.b. Piezo-Stellelement zur Kontrolle der Resonatorlänge) Soll-Frequenz Regelverstärker Ergänzung zu: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.11

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27 Optische Beobachtung von Ramsey-Oszillationen Im Ortsraum (Atomstrahl) oder im Zeitbereich (MRI, gespeicherte Atome, Ionen) τ T τ Photo- Detektor Zeit, Atomstrahlachse Zustandspräparation (z.b. opt. Pumpen) Anregung Zone 1 Anregung Zone 2 zustandsselektiver Nachweis Ergänzung zu: Optik, Licht und Laser, D. Meschede, 2. Aufl., Kap.11