German Title: Nachweis einzelner Atome auf einem Atomchip mittels integrierter Optik

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Abstract

The subject of this thesis is the miniaturization and integration of detectors for the detection of single rubidium atoms on an atom chip. For this purpose three different detectors were developed for atom detection by absorption or fluorescence: i) A fluorescence detector was realized by mounting a tapered lensed fiber perpendicular to a collection fiber. ii) An absorption detector was built by placing a multi-mode fiber in-line with a tapered lensed fiber. iii) A tunable cavity detector was built from two single mode fibers mounted on the chip surface. To mount the detectors on the planar surface of the atom chip retaining structures by means of lithographical techniques were developed. Those structures allow a very accurate and stable passive fiber alignment. To test the individual detectors an atomic ensemble of thermal rubidium atoms was prepared in a magneto-optical trap. Then the atoms were transferred into magnetic micro-traps of the atom chip and were guided to one of the detectors. Each integrated detector has been evaluated by several characterization measurements. With the fluorescence detector the highest single atom detection efficiency of 54\% was attained. Thereby it was possible to perform quantitative measurements for the magnetically guided atoms on a single atom level and to study fundamental properties of the confined atoms.

Translation of abstract (German)

Gegenstand dieser Arbeit ist die Miniaturisierung und Integration von Detektoren für den Nachweis einzelner Rubidiumatome auf einem Atomchip. Zu diesem Zweck wurden drei verschiedene Detektoren für den Atomnachweis mittels Absorption und Fluoreszenz entwickelt: i) Ein Fluoreszenzdetektor wurde mittels einer fokussierenden Linsenfaser senkrecht zu einer Sammelfaser realisiert. ii) Ein Absoptionsdetektor wurde gebaut, indem eine fokussierende Linsenfaser gegenüber einer Multimodefaser platziert wurde. iii) Ein durchstimmbarer Resonatordetektor wurde aus zwei auf der Atomchipoberfläche befestigten Singlemodefasern aufgebaut. Um die Detektoren auf der ebenen Fläche des Atomchips positionieren zu können, wurde unter Verwendung lithographischer Verfahren eine Haltestruktur entwickelt. Diese Strukturen erlauben eine sehr genaue und stabile passive Positionierung der Fasern. Um die Detektoren im Einzelnen zu testen wurde ein thermisches Ensemble von Rubidiumatomen in einer magneto-optischen Falle präpariert. Danach wurden die Atome in die magnetischen Mikrofallen des Atomchips transferiert und zu einem der Detektoren geleitet. Jeder integrierte Detektor wurde durch verschiedene Messungen bewertet. Von diesen Detektoren erreichte der Fluoreszenzdetektor mit 54\% die höchste Effizienz für den Nachweis einzelner Atome. Dadurch war es möglich Messungen der magnetisch geführten Atome auf dem Niveau einzelner Atome durchzuführen und die fundamentalen Eigenschaften der eingeschlossenen Atome zu studieren.