Die Spektroskopie eines verbotenen optischen Übergangs eines
einzelnen Ions verspricht ein optisches Frequenznormal mit einer
Genauigkeit im Bereich von 10^(-18) zu ermöglichen. Die
Vorraussetzungen dafür sind neben außergewöhnlich geringen
systematischen Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs ein
hohes Maß an Kontrolle der Bewegung des Ions, realisiert durch
die Speicherung und Laserkühlung in einer Quadrupolfalle und die
daraus resultierende, praktisch unbegrenzte Beobachtungszeit.
Diese Arbeit beschreibt Experimente im Hinblick auf die
Realisierung eines der aussichtsreichsten Kandidaten für ein
optisches Frequenznormal, einem gespeicherten Indium-Ion.
Zunächst wird in Kapitel 2 das Konzept der Indium-Uhr, der
bisher experimentell erreichte Stand der Spektroskopie, mit einer
relativen Auflösung von 10^(-13), und eine Abschätzung
der limitierenden Verschiebungen des 1S0-3P0 Referenzübergangs
dargestellt. Kapitel 3 führt danach in das
Prinzip der Speicherung und die konkrete Umsetzung im
In+-Experiment ein, behandelt dabei auftretende Probleme und
liefert mögliche Lösungen.
In Kapitel 4 wird eine neu implementierte Methode der
Photoionisation von Indium-Atome vorgestellt, die mit nur einem
Laser bei 410 nm über eine Zweiphotonen-Anregung zur Ionisierung
führt. Gegenüber der bislang verwendeten Elektronenstoßmethode
konnte damit die Ionisierungseffizienz um zwei Größenordnungen
gesteigert, und so Probleme, die einen kontinuierlichen Betrieb
des Frequenznormals behindern, vermieden werden.
Im Hinblick auf eine Erhöhung der Mittelungszeit wurde ein
kontinuierlich betreibbares Kühllasersystem aufgebaut, das in Kapitel 5 beschrieben wird. Ein gitterstabilisierter Diodenlaser
bei 922 nm wird zunächst in seiner Frequenz auf unter 100 Hz
relativ zu einem Referenzresonator stabilisiert. Nach dem
Durchgang durch einen frequenztreuen Trapezverstärker werden danach in
einer ersten Frequenzverdopplung mit Hilfe eines periodisch
gepolten KTP-Kristalls mehr als 200 mW blaues Licht bei 461 nm
erzeugt. Eine zweite Frequenzverdopplung mit BBO führt nachfolgend
zu etwa 1 mW bei 231 nm, der Wellenlänge des 1S0-3P1
Kühlübergangs von In+. Neben der demonstrierten Nutzung im
Indium-Experiment bietet sich dieses System durch seine große
Leistung im blauen Spektralbereich, die weite Durchstimmbarkeit
und die hohe Frequenzstabilität für viele Anwendungen in der
Atomphysik und Quantenoptik an.
Kapitel 6 beschreibt Ergebnisse der Seitenbandkühlung, für deren
Umsetzung Indium ein einzigartiges Modellsystem darstellt. Anhand
einer spektroskopischen Temperaturbestimmung in optisch-optischer
Doppelresonanz wird die praktisch erreichte Grundzustandskühlung
bestätigt. Es ergibt sich eine Temperatur unterhalb von
300 muK, entsprechend einer Amplitude der Säkularbewegung von
unter lambda/10. Durch die zusätzliche Kontrolle der
Mikrobewegung unter lambda/20 sind insgesamt relative
Frequenzverschiebungen des Referenzübergangs aufgrund einer
Bewegung des Ions im Bereich von 10^(-18) zu erwarten. Die
Mikrobewegung besitzt einen starken Einfluss auf die Kühldynamik,
der in einem erweiterten Modell der Seitenbandkühlung
semiklassisch beschrieben wird. Es ergibt sich die verblüffende Situation,
dass eine Kühlung auch für Laserfrequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz des
ruhenden Ions möglich ist. Kühlrate und Einfangbereich dieser
Kühlung werden simuliert. Die präzise Kontrolle der zusätzlichen
Mikrobewegung erlaubt eine Prüfung der Vorhersagen im Experiment.
Durch Spektroskopie am Kühlübergang konnte eine effektive Kühlung bei positiver
Laserverstimmung experimentell demonstriert werden.
