Optical interface based on a nanofiber atom-trap

In this thesis, I present the realization of a fiber-optical interface using optically trapped cesium atoms, which is an efficient tool for coupling light and atoms. The basic principle of the presented scheme relies on the trapping of neutral cesium atoms in a two-color evanescent field surrounding a nanofiber. The strong confinement of the fiber guided light, which also protrudes outside the nanofiber, provides strong confinement of the atoms as well as efficient coupling to near-resonant light propagating through the fiber. In chapter 1, the necessary physical and mathematical background describing the propagation of light in an optical fiber is presented. The exact solution of Maxwell’s equations allows us to model fiber-guided light fields which give rise to the trapping potentials and the atom-light coupling in the close vicinity of a nanofiber. Chapter 2 gives the theoretical background of light-atom interaction. A quantum mechanical model of the light-induced shifts of the relevant atomic levels is reviewed, which allows us to quantify the perturbation of the atomic states due to the presence of the trapping light-fields. The experimental realization of the fiber-based atom trap is the focus of chapter 3. Here, I analyze the properties of the fiber-based trap in terms of the confinement of the atoms and the impact of several heating mechanisms. Furthermore, I demonstrate the transportation of the trapped atoms, as a first step towards a deterministic delivery of individual atoms. In chapter 4, I present the successful interfacing of the trapped atomic ensemble and fiber-guided light. Three different approaches are discussed, i.e., those involving the measurement of either near-resonant scattering in absorption or the emission into the guided mode of the nanofiber. In the analysis of the spectroscopic properties of the trapped ensemble we find good agreement with the prediction of theoretical model discussed in chapter 2. In addition, I introduce a non-destructive scheme for the interrogation of the atoms states, which is sensitive to phase shifts of far-detuned fiber-guided light interacting with the trapped atoms. The inherent birefringence in our system, induced by the atoms, changes the state of polarization of the probe light and can be thus detected via a Stokes vector measurement.In dieser Arbeit wird die Realisierung einer faseroptischen Schnittstelle zur effizienten Kopplung von Licht und Atomen vorgestellt. Das Arbeitsprinzip dieser optischen Schnittstelle beruht auf Fangen und Speichern von Cäsium Atomen im evaneszenten Feld um einer Nanofaser. Hierbei wird das Speichern von Atomen mittels Lichtinduzierten Dipolkräften durch die Kombination von zwei fasergeführten Lichtfeldern unterschiedlicher Wellenlängen, mit attraktiver und repulsiver Wirkung, erreicht. Durch die starke radiale Einschnürung des von der Nanofaser geführten Lichts entstehen hochintensive evaneszente Felder außerhalb der Nanofaser, die wiederum stark ausgeprägte Fallenpotentiale bilden und eine starke Lokalisierung der Atome nahe der Faseroberfläche ermöglichen. Die starke Lokalisierung der Atome nahe der Faseroberfläche erlaubt somit eine sehr effiziente Kopplung an das (nah-) resonante fasergeführte Licht. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die theoretischen Grundlagen der Lichtausbreitung in einer optischen Nanofaser und dient zur Beschreibung der evaneszenter Felder, welche die Basis für das Fangen und Koppeln von Atomen mit Licht an der Nanofaser bildet. Die Beschreibung von Atom-Licht Wechselwirkung in dem vorgestellten System wird in Kapitel 2 erörtert. Ein Quantenmechanisches Modell vervollständigt die Berechnung der lichtindizierten Potentiale in der zweifarbigen Dipolfalle. Die experimentelle Realisierung der Faserbasierten Atomfalle ist der Kernpunkt des 3. Kapitels. Hier werden die relevanten Eigenschaften dieser Dipolfalle untersucht, sowie der Einfluss von Heizeffekten auf die Speicherzeit der Atome diskutiert. Darüber hinaus wird eine Methode zum Transport von gefangenen Atomen entlang der Nanofaser vorgestellt. Ein weiterer zentraler Punkt dieser Arbeit ist die erfolgreiche Koppelung der gefangenen Atome und (nah-) resonantes fasergeführtes Licht. Dazu werden die Messmethoden vorgestellt die auf resonante Streuung und Absorption bzw. auf kohärente Vorwärtsstreuung des fasergeführten Lichts basieren. Die in diesen Zusammenhang erhaltenen Absorptionsspektren der gefangenen Atome zeigen eine gute Übereinstimmung der ermittelten und berechneten AC-Stark-Verschiebungen der atomaren Energie-Niveaus. Für weitverstimmtes fasergeführtes Licht kann eine dispersive Wechselwirkung mit den Atomen ohne Absorption erreicht werden; hierbei bewirkt die Anordnung der Atome um die Faser eine signifikante Doppelbrechung und erlaubt somit eine einfache zerstörungsfreie Detektion von Atomen