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Single atom detection in low finesse cavities

Haase, Albrecht

German Title: Detektion einzelner Atome in Resonatoren niedriger Finesse

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Abstract

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde der Grundstein gelegt für die Integration mikrooptischer Elements auf Atomchips. Dies beinhaltete theoretische und experimentelle Untersuchungen zur Möglichkeit der Detektion einzelner Atome mit Hilfe von optischen Resonatoren niedriger Güte. Hierfür wurde ein theoretisches Model zur Beschreibung des gekoppelten Systems Atom-Resonator entwickelt. Angewandt auf einen optischen Faserresonator auf dem Atomchip, sagt dieses Model das Erreichen eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses von über 30 für die Einzelatomdetektion voraus, für Meßintervalle von 10µs. Des weiteren wurde ein Experiment mit kalten Rubidium Atomen aufgebaut, das den ersten Atomchip mit integriertem Faserresonator aufnehmen wird. Eine Serie von Experimenten mit einem makroskopischen Testresonator, der in seinen Eigenschaften einem Faserresonantor gleicht, wurde durchgeführt. Indem man den Resonator sehr nah am konzentrischen Punkt betreibt, kann dessen Fokusbreite auf 12µm reduziert werden, bei einer Finesse von 1200. Diese Parameter liegen in der gleichen Größenordnung wie die eines Faserresonators. Experimente mit Atomen, die frei durch den Resonator fallen oder mit Hilfe eines magnetischen Leiters hindurchgeführt werden, bestätigten die Voraussagen der Theorie bezüglich des Einflusses der Atome auf das Resonatortransmissionssignal.

Translation of abstract (English)

Within the framework of this thesis the cornerstone for the integration of microoptical elements for single atom manipulation on atom chips was laid. This involved theoretical and experimental investigations of the possibility of single atom detection in optical low finesse cavities. A theoretical model was developed to describe the coupled atom-cavity system. This model was applied to an experimentally feasible on-chip optical fibre cavity. A signal-to-noise ratio of above 30 for single atom detection with such a device within 10µs is predicted. Furthermore, an experiment with cold rubidium atoms was constructed. It is going to host the first fibre cavity chip. The theory was verified by a series of experiments with a macroscopic test resonator modelling the fibre cavity setup. By operating the resonator close to the concentric limit, the cavity mode waist was decreased to 12µm at a finesse of 1200. This is on the same order of magnitude as the fibre cavity parameters. Experiments with atoms falling freely or being magnetically guided through the cavity have confirmed the theoretical predictions for the atomic effect on the cavity transmission signal.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schmiedmayer, Prof. Joerg
Date of thesis defense: 29 June 2005
Date Deposited: 05 Jul 2005 11:16
Date: 2005
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Optischer Resonator, Mikrooptik, Quantenoptik
Uncontrolled Keywords: Mikroresonator , Atomdetektion , Atomchipmicrocavity , single-atom-detection , atomchip , microoptics , quantum optics
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