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Lexikon der Optik: Ramsey-Streifen-Technik

Ramsey-Streifen-Technik, eine von N.F. Ramsey Ende der vierziger Jahre entwickelte Methode der hochauflösenden Mikrowellenspektroskopie. Sie besteht darin, daß ein Atomstrahl in zwei räumlich getrennten Gebieten mit jeweils einem Mikrowellenfeld wechselwirkt. Dabei stimmen die beiden Mikrowellenfelder in ihrer Frequenz überein, und überdies besteht zwischen ihnen eine feste Phasendifferenz. Im ersten Gebiet absorbieren die Atome. Die Absorption darf man sich in diesem Falle nicht als eine Reihe von sprunghaften Ereignissen vorstellen, bei denen gewisse Atome jeweils ein ganzes Mikrowellenquant aufnehmen, vielmehr werden alle Atome kohärent angeregt, d.h., ihnen wird ein mit der Mikrowellenfrequenz oszillierendes elektrisches Dipolmoment aufgeprägt. Der Abstand zwischen den beiden Wechselwirkungsgebieten wird so gewählt, daß die Dipolschwingungen noch nicht abgeklungen sind, wenn die Atome das zweite Gebiet erreichen. Je nachdem, welche Phasenbeziehung dort zwischen den Dipolschwingungen und dem Feld besteht, absorbieren die Atome weiterhin Energie oder sie geben umgekehrt infolge induzierter Emission Energie an das Feld ab. Stimmt man die Mikrowellenfrequenz über eine atomare Resonanz hinweg durch, so ändert sich die erwähnte Phasenbeziehung. Die Folge davon ist eine Änderung der mittleren Besetzung des oberen Niveaus des atomaren Überganges, wie sie nach Passieren des zweiten Wechselwirkungsgebietes beobachtet werden kann. Dabei hat die Abhängigkeit dieser Besetzung von der Mikrowellenfrequenz die Gestalt von Interferenzstreifen, was den Namen Ramsey-Streifen erklärt.

Dank der Möglichkeit, mit Lasern intensive Lichtimpulse zu erzeugen, konnte die R. auch in den optischen Frequenzbereich übertragen werden. Man verwirklicht dabei die zeitlich getrennte Wechselwirkung der gleichen Atome mit zwei Lichtfeldern in der Weise, daß man nacheinander zwei in ihrer Phase korrelierte Lichtimpulse gleicher Mittenfrequenz ν0 in eine dampfgefüllte Zelle schickt. Man kann nun entweder bei festem zeitlichen Abstand T zwischen den beiden Impulsen die Frequenz ν0 oder die atomare Resonanzfrequenz durchstimmen, beispielsweise durch Änderung eines äußeren magnetischen Feldes, das eine Zeeman-Aufspaltung der atomaren Niveaus bewirkt, oder bei festgehaltener Frequenz ν0 die Verzögerungszeit T variieren. In jedem Falle zeigt die mittlere Besetzung des oberen Niveaus, die an Hand der ausgesandten Fluoreszenzstrahlung beobachtet werden kann, die Erscheinung der Ramsey-Streifen.

Von besonderer Wichtigkeit ist, daß die mit der R. erreichbare spektroskopische Auflösung (im Sinne der kleinsten auflösbaren Frequenzdifferenz Δν) nicht durch die Linienbreite der Strahlung, also nach der Frequenz-Zeit-Unschärfebeziehung auch nicht durch den Kehrwert der Impulsdauer, sondern durch die Verzögerungszeit T gegeben ist. Eine weitere Erhöhung der Auflösung erreicht man noch dadurch, daß man statt zweier Impulse einen ganzen Zug äquidistanter Impulse (mit der gleichen festen Phasenbeziehung zwischen jeweils benachbarten Impulsen) mit den Atomen wechselwirken läßt. Die Größe Δν verkleinert sich dann noch einmal um den Faktor N, wobei N die Anzahl der Impulse bezeichnet, die während der Lebensdauer der induzierten Dipolmomente (Phasenkohärenzzeit) mit dem Atom wechselwirken.

Vorteilhaft ist es weiterhin, mit Hilfe der R. nicht Einphotonen- sondern Zweiphotonenübergänge (Zweiphotonenabsorption) zu untersuchen, da man so den Doppler-Effekt eliminieren kann. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, daß man die Impulse durch einen nahe der dampfgefüllten Zelle aufgestellten Spiegel in sich reflektiert und dadurch den Atomen eine gleichzeitige Wechselwirkung mit zwei gegenläufigen Wellen ermöglicht. Ein Atom kann so rückstoßfrei zwei gegenläufige Photonen absorbieren.

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