Metrological applications of cold atoms trapped optically

Rozprawa omawia wybrane zastosowania metrologiczne zimnych atomów pułapkowanych optycznie na przykładzie dwóch eksperymentów: pułapki dipolowej dla zimnych atomów rubidu oraz sieci optycznej dla atomów strontu, będącej częścią większego przedsięwzięcia: pierwszego polskiego atomowego zegara optycznego. Optyczna pułapka dipolowa dla atomów rubidu powstała w laboratorium Zimnych Atomów Zakładu Fotoniki Uniwersytetu Jagiellońskiego. Celem budowy nowego stanowiska eksperymentalnego jest możliwości badania nieliniowych efektów magnetooptycznych, jak na przykład efekt Fardaya do celów precyzyjnej magnetometrii. W pierwszym etapie atomy rubidu są chłodzone w dwuwymiarowej pułapce magneto-optycznej (2D-MOT), formując strumień wstępnie schłodzonych atomów dla trójwymiarowej pułapki magnetooptycznej (3D-MOT). Proces przeładowania i formowania wiązki i jest szczegółowo opisany i scharakteryzowany.Następnie zimne atomy są do pułapki optycznej dipolowej (ODT), która przestrzennie przekrywa się z 3D-MOT. Rozprawa opisuje wyniki badania efektu Faradaya w optycznej pułapce dipolowej. Sieć optyczna dla atomów strontu jest częścią budowy Polskiego Optycznego Zegara Atomowego (POZA) w Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej. Szczegółowo opisana jest aparatura tworząca strontowy standard częstotliwości dla zegara atomowego. Omówione są wyniki badania spektroskopii ultra-wąskiego przejścia zegarowego w próbkach atomów Strontu oraz stabilności stworzonego na jego bazie zegara optycznego.Two experiments with laser-cooled atoms held in an optical dipole traps are described in the dissertation. First is dedicated to non-linear magneto-optical effects in rubidium atoms, while second is devoted to optical lattice trap for strontium atoms. Selected metrological applications of optically trapped cold atoms in both experiments are discussed and presented. A dipole trap setup has been built at the Department of Photonics in Jagiellonian University. It is aimed at investigations of nonlinear magneto-optical effects like precise magnetometry by Faraday effect. A compact two-dimensional magneto optical (2D-MOT) trap with permanent magnets serves as a source of cold rubidium atoms for further cooling in three-dimensional magneto-optical trap (3D-MOT). The 2D-MOT is described and characterised. The results of the loading an optical dipole trap (ODT) from a the 3D-MOT are then presented. It is followed by the results of a Faraday rotation of a resonant laser beam with atoms confined in the final stage of confinement in ODT. The strontium lattice experiment is a part of a larger project: the construction of the first polish optical atomic clock (project Polish Optical Atomic Clock) at the National Laboratory for Atomic, Molecular and Optical Physics. An introduction to time and frequency metrology with optical clocks is given. We describe strontium atoms confined in the optical lattice as a frequency reference for the optical clock in detail. The results of precision spectroscopy of ultra- narrow clock transition in bosonic Sr-88 and the measurements of the clock stability based on atomic reference are presented and discussed