Die Erfindung betrifft eine Atomkühlvorrichtung, insbesondere magneto-optische Atomfalle, mit (a) einem Lasersystem zum Aussenden eines Laserstrahls, und (b) ei nem Lichtreflektor, der angeordnet ist zum Reflektieren des Laserstrahls, sodass sich ein Fallenvolumen bildet. Vorzugsweise besitzt die magneto-optische Atomfalle einen magnetischen Quadrupolfeld-Erzeuger. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Er findung ein Verfahren zum Kühlen und/oder Einfangen von Atomen.

Atomkühlvorrichtungen, insbesondere Atomfallen, werden verwendet, um eine ver gleichsweise geringe Anzahl an Atomen, in der Regel einige wenige Millionen Atome, so stark abzubremsen und - wenn es sich um eine Atomfalle handelt - mittels des Quadrupol-Magnetfelds zu fangen, dass sie sich in einem vorgegebenen Volumen, dem Fallenvolumen, für eine so lange Zeit aufhalten, dass sie untersucht werden können. Beispielsweise kann eine derartige Atomfalle ein Bestandteil einer Atomuhr, insbesondere einer optischen Atomuhr, oder eines Atomgravimeters sein, die eben falls erfindungsgemäße Gegenstände darstellen.

Die GB 2558574 A betrifft ein optisches Element mit einer Vielzahl optischer Be standteile. Jeder optische Bestandteil weist hierbei ein Profil in einer, zwei oder drei Dimensionen auf. Das optische Element ist zur Verwendung insbesondere in MOTs geeignet.

Die US 2017/0359888 A1 betrifft ein 2D-MOT auf der Grundlage eines optischen Git ters. Das 2D GMOT ist dabei geeignet, einen Strahl kalter Atome zu entsenden, ins besondere in das Fallenvolumen eines 3D GMOT. In „Laser cooling with a single laser beam and a planar diffractor“ zeigen Vangeleyn et al. die Verwendung dreier Beugungsgitter, um einen einzelnen Laserstrahl in eine tetraedrische magneto-optische Falle mit vier Laserstrahlen zu verwandeln.

In „A surface-patterned Chip as a strong source of ultra-cold atoms for quantom tech- nologies “ zeigen Nshii et al. die Verwendung eines Chips, auf dem stabile optische Gitter erzeugt werden können.

Um die Eigenschaften der Atome im Fallenvolumen messen zu können, muss das Fallenvolumen für Laserstrahlen zugänglich sein. Je besser zugänglich das Fallenvo lumen ist, desto besser. Es ist zudem häufig wünschenswert, die Atomkühlvorrich tung möglichst einfach aufzubauen, um den Aufwand bei Herstellung und Betrieb möglichst gering zu halten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermin dern.

Die Erfindung löst das Problem durch eine gattungsgemäße Atomkühlvorrichtung, insbesondere Atomfalle, bei welcher der Lichtreflektor ein Fresnel-Reflektor ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zum Kühlen und/oder Einfangen von Atomen, das die folgenden Schritte aufweist:

(a) Leiten zumindest eines Laserstrahls auf einen Fresnel-Reflektor, sodass reflek tierte Laserstrahlen entstehen, (b) wobei der Fresnel-Reflektor so ausgebildet ist, dass durch das Bestrahlen des Fresnel-Reflektors mit dem Laserstrahl ein Fallenvo lumen entsteht, wobei das Fallenvolumen derjenige Raumbereich ist, für den gilt, dass durch ihn zumindest drei, insbesondere zumindest vier, Laserstrahlen verlau fen, die so orientiert sind, dass ein Atom im Fallenvolumen gefangen wird, und (c) Laden zumindest eines Atoms in das Fallenvolumen, wobei eine Wellenlänge des zumindest einen Laserstrahls so gewählt ist, dass das zumindest eine Atom durch den Laserstrahl und die reflektierten Laserstrahlen gekühlt wird und vorzugsweise durch die Kombination aus Quadrupol-Magnetfeld und Laserstrahlen eine Rückstell kraft auf Atome im Fallenvolumen auf das Zentrum hin ausgeübt wird. Vorteilhaft an einer derartigen Atomfalle ist, dass das Fallenvolumen in der Regel gut von außen, beispielsweise mittels Laser und/oder Atomstrahl, zugänglich ist. In an deren Worten ist der Raumwinkelbereich, unter dem ein Laserstrahl auf das Fallen volumen gerichtet werden kann, in der Regel größer als bei bekannten Atomkühlvor richtungen mit achromatischen Eigenschaften.

Günstig ist zudem, dass die Reflexionseigenschaften des Fresnel-Reflektors weitge hend unabhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls sind. Das ist ein Vorteil ge genüber magneto-optischen Atomfallen auf der Basis von Gittern. Derartige Atomfal len werden bislang verwendet, wenn das Fallenvolumen besonders gut zugänglich sein soll. In diesem Fall ist aber das Fallenvolumen abhängig von der Wellenlänge des Laserstrahls. Das ist insbesondere dann nachteilig, wenn - wie gemäß einer be vorzugten Ausführungsform vorgesehen - das Lasersystem zum Aussenden zweier Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen ausgebildet ist.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Atomkühlvorrichtung ins besondere eine Vorrichtung verstanden, mittels der Atome auf eine Geschwindigkeit von höchstens 10 m pro Sekunde, insbesondere höchstens 5 m pro Sekunde, abge kühlt werden können. Insbesondere ist die Atomkühlvorrichtung so ausgebildet, dass die Atome durch Laserkühlung auf diese Geschwindigkeit gebracht werden.

Unter dem Lichtreflektor wird insbesondere ein Bauteil verstanden, das Laserstrahlen nicht-diffus reflektiert.

Der Fresnel-Reflektor ist vorzugsweise einstückig hergestellt. Es ist insbesondere möglich, dass die Reflexionsbereiche, die weiter unten beschrieben werden, an ei nem einstückigen Bauteil ausgebildet sind. Es ist auch möglich, dass der Fresnel-Re flektor aus mehreren Bauteilen aufgebaut ist, wobei jedes Bauteil einen Reflexions bereich bildet und wobei alle Bauteile miteinander verbunden sind. Zwar ist es mög lich, den Fresnel-Reflektor auch nicht einstückig herzustellen oder die Reflexionsbe reiche nicht an einem einstückigen Bauteil auszubilden, das führt aber in der Regel dazu, dass der Fresnel-Reflektor aufwändiger auszurichten ist und eine geringere Stabilität haben kann.

Der Fresnel-Reflektor ist, insbesondere wenn er aus Metall aufgebaut ist, vorzugs weise durch Spanen oder Walzen hergestellt. Wenn er aus Glas aufgebaut ist, ist er vorzugsweise durch Ätzen hergestellt. Es ist zudem möglich, dass der Fresnel-Re flektor durch Ätzen einer dielektrischen Schicht hergestellt wird, die auf einem Sub strat, insbesondere einem metallischen Substrat, aufgebracht ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Fresnel-Reflektor ein erstes Segment, in dem eine Mehrzahl an Erstsegment-Reflexionsbereichen angeordnet ist, und zumindest ein zweites Segment, in dem eine Mehrzahl an Zweitsegment-Reflexi- onsbereichen angeordnet ist. Die Reflexionsbereiche sind diejenigen Abschnitte des jeweiligen Segment-Reflexionsbereichs, in denen der Laserstrahl so reflektiert wird, dass er durch das Fallenvolumen verläuft.

Günstig ist es, wenn das erste Segment in einem ersten Azimutalwinkel-Intervall liegt und das zweite Segment in einem zweiten Azimutalwinkel-Intervall liegt, das vom ersten Azimutalwinkel-Intervall disjunkt ist. Es ergibt sich so ein vergleichsweise ein facher Aufbau, der relativ einfach herzustellen ist.

Günstig ist es, wenn die Erstsegment-Reflexionsbereiche eine Erstsegment-Neigung relativ zu einer Längsachse des Fresnel-Reflektors haben und die Zweitsegment-Re- flexionsbereiche eine Zweitsegment-Neigung relativ zu einer Längsachse des Fres nel-Reflektors haben, die der Erstsegment-Neigung entspricht. In anderen Worten existiert gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Achse, für die diese Forde rungen erfüllt sind. Diese Achse wird als Längsachse betrachtet. Günstig ist es, wenn die Längsachse senkrecht zu einer Ausgleichsebene verläuft, die durch die Reflexi onsbereiche verläuft. Es ist aber auch möglich, dass die Längsachse unter einem Winkel zwischen 0° und 90° zur Ausgleichsebene verläuft. Diese Längsachse ent spricht beim Betrieb der Atomkühlvorrichtung vorzugsweise der Mittellinie des einfal- lenden Laserstrahls. Unter dem Merkmal, dass die Zweitsegment-Neigung der Erst- segment-Neigung entspricht, wird insbesondere verstanden, dass eine Differenz zwi schen Zweitsegment-Neigung und Erstsegment-Neigung höchstens 5° beträgt.

Vorzugsweise besitzt der Fresnel-Reflektor zumindest ein drittes Segment, in dem eine Mehrzahl an Drittsegment-Reflexionsbereichen angeordnet sind, wobei das dritte Segment in einem dritten Azimutalwinkel-Intervall liegt, das vom ersten Azi- mutalwinkel-lntervall mit dem zweiten Azimutalwinkel-Intervall disjunkt ist.

Wenn drei Segmente vorhanden sind, ergibt sich das maximale Fallenvolumen. Es ist zwar möglich, dass mehr als drei Segmente vorhanden sind, das ist aber in der Regel nicht notwendig und kann wegen des erhöhten Aufwands sogar nachteilig sein. Günstig ist es, wenn alle Reflexionsbereiche einen einfallenden Laserstrahl un ter einem jeweiligen Polarwinkel reflektieren, wobei die Polarwinkel voneinander um höchstens 10°, insbesondere höchstens 5° abweichen. Die Polarwinkel werden ge messen zur Längsachse des Fresnel-Reflektors.

Vorzugsweise sind die Reflexionsbereiche so relativ zueinander angeordnet, dass Laserstrahlen, die von den jeweiligen Reflexionsbereichen reflektiert werden, einan der nicht schneiden. Beispielsweise schneiden sich keine zwei Laserstrahlen, die vom Erstsegment-Reflexionsbereich reflektiert werden. Das gleiche gilt für die übri gen Reflexionsbereiche.

Besitzt die Atomkühlvorrichtung genau zwei Segmente, so kann sie als 2D-Atomfalle betrieben werden. Hat die Atomkühlvorrichtung drei oder mehr Segmente, so kann sie als 3D-Atomfalle betrieben werden.

Vorzugsweise reflektieren die Erstsegment-Reflexionsbereiche einen einfallenden Laserstrahl unter einem ersten Polarwinkel. Die Zweitsegment-Reflexionsbereiche reflektieren den einfallenden Laserstrahl oder einen weiteren einfallenden Laser strahl, der parallel zum ersten einfallenden Laserstrahl verläuft, unter einem zweiten Polarwinkel, der vom ersten Polarwinkel um höchstens 10° abweicht. Der Azimutalwinkel und der Polarwinkel werden in einem Koordinatensystem gemes sen, dessen z-Achse der Längsachse des Fresnel-Reflektors entspricht. Wird nur ein Laserstrahl zum Betrieb der Atomkühlvorrichtung verwendet, so entspricht die z-Ach- se vorzugsweise der Mittellinie des Laserstrahls. Werden zwei oder drei Laserstrah len verwendet, so ist die z-Achse vorzugsweise die Gerade, die die Abstandsquad rate zu den Mittellinien der Laserstrahlen minimiert. Je größer die Anzahl N der Seg mente, desto kleiner das Fallenvolumen. Für optimale Fangbedingungen sind Nei gungswinkel und Reflektivität der Reflektoroberfläche aufeinander abgestimmt.

Vorzugsweise verlaufen alle Reflexionsbereiche unter einem konstanten Neigungs winkel relativ zur Längsachse.

Vorzugsweise beträgt der Erstsegment-Neigungswinkel und/oder der Zweitsegment- Neigungswinkel und oder der Drittsegment-Neigungswinkel zwischen 10° und 0,5 _* ar- ccos(1/N). N ist dabei die Zahl der Segmente. Beispielsweise ist N = 2, 3, 4, 5 oder 6. Dabei ist der maximale Neigungswinkel so gewählt, dass eine Reflektivität der Re flektoroberfläche von 100% zu optimalen Fangbedingungen führt.

Um eine möglichst gut bestimmte Reflexionsrichtung zu erreichen, ist es günstig, wenn eine Ebenheitsabweichung der Reflexionsbereiche höchstens das Zweifache der verwendeten Wellenlänge, insbesondere höchstens die Hälfte der verwendeten Wellenlänge, bevorzugt höchstens ein Viertel der verwendeten Wellenlänge, beträgt. Für sichtbares Licht entspricht das 1000 nm, insbesondere 500 nm, bevorzugt 250 nm. Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, wenn eine Rauheit der Reflexionsberei che höchstens ein Achtel der verwendeten Wellenlänge, insbesondere höchstens 100 nm, beträgt. Die Rauheit wird als Mittenrauwert R _a bestimmt, insbesondere nach ISO 25178. Die Ebenheitsabweichung bezieht sich auf den mittleren Abstand von der Ausgleichsebene durch den entsprechenden Reflexionsbereich.

Günstig ist es, wenn eine Strukturbreite der Reflexionsbereiche zumindest ein Zehn faches der kleinsten verwendeten Wellenlänge beträgt. Alternativ oder zusätzlich kann die Strukturbreite der Reflexionsbereiche für sichtbares Licht vorzugsweise 5000 nm, insbesondere zumindest 2500 nm, betragen. Auf diese Weise werden Beu gungseinflüsse weitgehend vermieden.

Um Atome auf besonders tiefe Temperaturen zu kühlen, können zwei verschiedene Wellenlängen verwendet werden. Das Laserlicht mit der ersten Wellenlänge wird von den Atomen mit besonders hoher Wahrscheinlichkeit absorbiert und re-emittiert, so- dass eine hohe Kühlrate erreicht wird. Das zweite Laserlicht hingegen führt zu einer geringeren Abkühlgeschwindigkeit, jedoch zu einer tieferen erreichbaren Temperatur. Es ist daher günstig, wenn das Lasersystem zum Aussenden eines zweiten Laser strahls ausgebildet ist, der eine zweite Wellenlänge hat, die sich von einer ersten Wellenlänge des ersten Lasers unterscheidet. Günstig ist es, dass die Verwendung des Fresnel-Reflektors dazu führt, dass für beide Wellenlängen das Fallenvolumen in guter Näherung das gleiche ist.

Günstig ist es, wenn der Fresnel-Reflektor eine Ausnehmung aufweist, durch die Atome in das Fallenvolumen geladen oder aus dem Fallenvolumen entfernt werden können. Vorzugsweise ist die Ausnehmung im Bereich um die Längsachse angeord net. Besonders günstig ist es, wenn die Längsachse durch die Ausnehmung verläuft.

Die Erfindung löst das Problem zudem durch einen Fresnel-Reflektor mit den Merk malen von Anspruch 9. Erfindungsgemäß ist zudem die Verwendung eines derarti gen Fresnel-Reflektors für eine Atomkühlvorrichtung, insbesondere für eine Atom falle.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläu tert. Dabei zeigt

Figur 1a einen schematischen Aufbau einer Atomkühlvorrichtung in Form einer Atomfalle,

Figur 1 b eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fresnel-Reflektors einer erfindungsgemäßen Atomkühlvorrichtung, Figur 2a eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fresnel-Reflek tors einer erfindungsgemäße Atomkühlvorrichtung und

Figur 2b eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fresnel-Reflektors einer erfindungsgemäßen Atomkühlvorrichtung oder Atomfalle.

Figur 1a zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Atomkühlvorrichtung 10, die ein schematisch eingezeichnetes Lasersystem 12 zum Aussenden eines Laserstrahls 14 sowie einen Quadrupolfeld-Erzeuger 16 aufweist, der im vorliegenden Fall zwei Helmholtz-Spulen 18.1 , 18.2 besitzt. Werden diese gegenläufig bestromt, bildet sich ein magnetisches Quadrupolfeld, das ein Zentrum Z hat, in dem das Quadrupolfeld null ist.

Die Atomkühlvorrichtung 10 besitzt zudem einen Lichtreflektor 20 in Form eines Fres nel-Reflektors 20. Trifft der Laserstrahl 14, der sich entlang einer Längsachse L aus breitet, auf den Fresnel-Reflektor 20, so wird er reflektiert, sodass ein reflektierter La serstrahl 22. i entsteht (i = 1 , 2, ... ). Der Fresnel-Reflektor 20 erstreckt sich entlang der Ebene E.

Die Atomkühlvorrichtung 10 gemäß Figur 1a ist eine 2D-Atomkühlvorrichtung, das heißt, dass ein Impuls eines schematisch eingezeichneten Atoms 24 in y-Richtung nicht verringerbar ist. In einem Fallenvolumen 26 wird der Impuls des Atoms 24 in x- Richtung und z-Richtung reduziert, sodass es sich dem Zentrum Z annähert. Das Fallenvolumen 26 ist derjenige Bereich, durch den der einfallende Laserstrahl 14 so wie, im Fall einer 2D-Atomkühlvorrichtung, zwei in unterschiedliche Richtungen re flektierte Laserstrahlen, beispielsweise 22.1 , 22.2, hindurchlaufen. Für eine 3D-Atom- kühlvorrichtung ist das Fallenvolumen 26 derjenige Bereich, durch den der einfal lende Laserstrahl 14 sowie zumindest drei in unterschiedliche Richtungen reflektierte Laserstrahlen hindurchlaufen.

Der Fresnel-Reflektor 20 erstreckt sich entlang einer Ebene E, die vorzugsweise senkrecht zur Längsachse L verläuft. Figur 1 b zeigt eine schematische Ansicht des Fresnel-Reflektors 20 gemäß Figur 1a. Es ist zu erkennen, dass der Fresnel-Reflektor 20 ein erstes Segment 28.1 , ein zwei tes Segment 28.2 aufweist. Das erste Segment besitzt eine Mehrzahl an Erstseg- ment-Reflexionsbereichen 30.j (j= 1 , 2, ... ), die alle um den gleichen Erstsegment- Neigungswinkel ai zur Längsachse L geneigt sind.

Das zweite Segment 28.2 besitzt Zweitsegment-Reflexionsbereiche 32. k (k= 1 , 2,

... ), die unter einem Zweitsegment-Neigungswinkel cc2 zur Längsachse L verlaufen.

Der Fresnel-Reflektor 20 kann eine Ausnehmung 34 aufweisen, durch die das Atom 24 in das Fallenvolumen 26 geladen und aus diesem wieder entfernt werden kann.

Figur 2a zeigt einen Fresnel-Reflektor 20, der ein drittes Segment 28.3 aufweist, in dem mehrere Drittsegment-Reflexionsbereiche 36.1 angeordnet sind. Die Drittseg- ment-Reflexionsbereiche sind unter einem Drittsegment-Neigungswinkel az zur Längsachse L orientiert.

Figur 2b zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fresnel-Re flektors 20, der ein viertes Segment 28.4 aufweist. Allgemein hat der Fresnel-Reflek tor 20 Segmente 28. i mit i = 1 , ... , N.

Figur 2a zeigt, dass das erste Segment 28.1 in einem ersten Azimutalwinkel-Intervall Ai liegt, für das im vorliegenden Fall Ai = [f=0°, f=120°[ gilt. Das zweite Segment 28.2 liegt in einem zweiten Azimutalwinkel-Intervall A2 = [120°, 240°[, das vom ersten Azimutalwinkel-Intervall disjunkt ist. Das dritte Segment 28.3 liegt in einem dritten Azimutalwinkel-Intervall A3 = [240°, 0°[, das vom ersten Azimutalwinkel-Intervall Ai und zweiten Azimutalwinkel-Intervall A2 disjunkt ist.

Figur 1a zeigt, dass die Erstsegment-Reflexionsbereiche 30 den einfallenden Laser strahl 14 unter einem ersten Polarwinkel Q1 reflektieren. Die Zweitsegment-Reflexi- onsbereiche 32 reflektieren den einfallenden Laserstrahl 14 unter einem zweiten Po larwinkel Q2, der vom ersten Polarwinkel 0i um höchstens 10° abweicht. Der Azi- mutalwinkel f und die Polarwinkel Q werden im Koordinatensystem gemessen, des sen z-Achse in der Mittellinie des Laserstrahls 14 verläuft. Im vorliegenden Fall hat der Lasterstrahl 14 einen so großen Durchmesser, dass alle Segmente 28. i beleuch tet werden.

Bezugszeichenliste

10 Atomkühlvorrichtung 12 Lasersystem 14 Laserstrahl 16 Quadrupolfeld-Erzeuger 18 Helmholtz-Spulen

20 Fresnel-Reflektor 22 reflektierter Laserstrahl 24 Atom

26 Fallenvolumen 28 Segment

30 Erstsegment-Reflexionsbereich 32 Zweitsegment-Reflexionsbe- reich

34 Ausnehmung 36 Drittsegment-Reflexionsbereich

E Ebene

L Längsachse

N Zahl der Segmente

Z Zentrum i, j, k Laufindices a 1 Erstsegment-Neigungswinkel cc2 Zweitsegment-Neigungswinkel az Drittsegment-Neigungswinkel