Automatic Estimation of Modulation Transfer Functions

The modulation transfer function (MTF) is widely used to characterise the performance of optical systems. Measuring it is costly and it is thus rarely available for a given lens specimen. Instead, MTFs based on simulations or, at best, MTFs measured on other specimens of the same lens are used. Fortunately, images recorded through an optical system contain ample information about its MTF, only that it is confounded with the statistics of the images. This work presents a method to estimate the MTF of camera lens systems directly from photographs, without the need for expensive equipment. We use a custom grid display to accurately measure the point response of lenses to acquire ground truth training data. We then use the same lenses to record natural images and employ a data-driven supervised learning approach using a convolutional neural network to estimate the MTF on small image patches, aggregating the information into MTF charts over the entire field of view. It generalises to unseen lenses and can be applied for single photographs, with the performance improving if multiple photographs are available

Reinforcement Learning in Ultracold Atom Experiments

Cold atom traps are at the heart of many quantum applications in science and technology. The preparation and control of atomic clouds involves complex optimization processes, that could be supported and accelerated by machine learning. In this work, we introduce reinforcement learning to cold atom experiments and demonstrate a flexible and adaptive approach to control a magneto-optical trap. Instead of following a set of predetermined rules to accomplish a specific task, the objectives are defined by a reward function. This approach not only optimizes the cooling of atoms just as an experimentalist would do, but also enables new operational modes such as the preparation of pre-defined numbers of atoms in a cloud. The machine control is trained to be robust against external perturbations and able to react to situations not seen during the training. Finally, we show that the time consuming training can be performed in-silico using a generic simulation and demonstrate successful transfer to the real world experiment.Comment: 11 pages, 5 figure

Measurement of spectral functions of ultracold atoms in disordered potentials

We report on the measurement of the spectral functions of noninteracting ultracold atoms in a three-dimensional disordered potential resulting from an optical speckle field. Varying the disorder strength by 2 orders of magnitude, we observe the crossover from the "quantum" perturbative regime of low disorder to the "classical" regime at higher disorder strength, and find an excellent agreement with numerical simulations. The method relies on the use of state-dependent disorder and the controlled transfer of atoms to create well-defined energy states. This opens new avenues for experimental investigations of three-dimensional Anderson localization

Continuous Loading of a Conservative Trap from an Atomic Beam

We demonstrate the fast accumulation of Cr atoms in a conservative potential from a magnetically guided atomic beam. Without laser cooling on a cycling transition, a single dissipative step realized by optical pumping allows to load atoms at a rate of 2*10^7 1/s in the trap. Within less than 100 ms we reach the collisionally dense regime, from which we directly produce a Bose-Einstein condensate with subsequent evaporative cooling. This constitutes a new approach to degeneracy where, provided a slow beam of particles can be produced by some means, Bose-Einstein condensation can be reached for species without a cycling transition.Comment: 4 pages, 4 figure

Evaporation limited loading of an atom trap

Recently, we have experimentally demonstrated a continuous loading mechanism for an optical dipole trap from a guided atomic beam [1]. The observed evolution of the number of atoms and temperature in the trap are consequences of the unusual trap geometry. In the present paper, we develop a model based on a set of rate equations to describe the loading dynamics of such a mechanism. We consider the collision statistics in the non-uniform trap potential that leads to twodimensional evaporation. The comparison between the resulting computations and experimental data allows to identify the dominant loss process and suggests ways to enhance the achievable steady-state atom number. Concerning subsequent evaporative cooling, we find that the possibility of controlling axial and radial confinement independently allows faster evaporation ramps compared to single beam optical dipole traps.Comment: 10 pages, 7 figure

Optisches Pumpen eines dichten Quantengases : Kontinuierliches Sisyphus-Kühlen und Entmagnetisierungskühlen nah an Quantenentartung

In this thesis, I study optical pumping as a powerful cooling tool for trapped ultra-cold atoms in a highly collisional regime. First application of optical pumping is a continuous loading scheme used to transfer atoms from a guided beam into a hybrid trap. Further, I introduce a Sisyphus cooling scheme based on radio-frequency transitions and optical pumping, operating simultaneously to the accumulation of atoms in the trap. The combined scheme of continuous loading and Sisyphus cooling is demonstrated for a large range of initial conditions of the guided atoms. Thereby, I show that collisional thermalization occurs in a steady-state for almost arbitrary initial conditions, provided that the first dissipative step is able to prevent the atom from leaving the trap during its first passage. On the one hand, this scheme could be applied to a wide range of atomic or molecular beams. On the other hand, phase-space density of 4*10^-4 is reached in a continuous operation mode with chromium atoms. In the second part, I investigate demagnetization cooling based on dipolar relaxation collisions driving the thermalization of the internal (spin) and the external (motional) degrees of freedom. In the case of a gas, one has the advantage that the spin degree of freedom can be cooled very efficiently using optical pumping. It is shown, that demagnetization cooling of a gas is more efficient than evaporation cooling in terms of phase-space density gain versus loss of atoms. This allows reaching a temperature of 6uK at a phase-space density of 0.03. It is observed, that both, continuous Sisyphus cooling and demagnetization cooling are limited by a density dependent loss mechanism. I present circumstantial evidence for excited-state collisions as the dominant limiting process. Finally, I discuss possible extensions to the current experimental procedures, possibly allowing reaching quantum degeneracy by optical means only.Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Experimente mit ultra-kalten Quantengasen, dabei steht die Methode des optischen Pumpens im Vordergrund. Dieses Verfahren ist besonders effizient, um dipolare ultra-kalte Atome zu fangen und dann bei hohen Dichten zu kühlen. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem kontinuierlichen Laden einer optischen Dipolfalle aus einem Strahl von Chromatomen.Mit diesem Verfahren können geladene Atome ins thermische Gleichgewicht gebracht werden, vorausgesetzt die kontinuierliche Quelle ist ein relativ kalter (~65uK) und langsamer (1m/s) Strahl mit einem hohen Fluss an Atomen (>10^9Atome/s). Für Teilchenflüße, die diese Bedingungen nicht erfüllen müssen weitere Kühlschritte erfolgen um effizientes Laden zu erzielen. Hierfür präsentieren wir in dieser Arbeit ein zusätzliches Kühlverfahren, bekannt als Sisyphuskühlung. Es wird ein Hochfrequenzfeld eingestrahlt, welches ortsabhängig Atome in weniger stark gefangene magnetische Unterzustände transferiert. Der Sisyphus-Zyklus wird in der Nähe des Fallenbodens abgeschlossen, wenn die Atome den optischen Pumpstrahl passieren und wieder in den ursprünglichen Zustand gepumpt werden. Die Energie wird durch die spontane Emission eines Photons irreversibel abgeführt. Dieser Prozess kann zeitgleich zum kontinuierlichen Laden der Falle ablaufen und hat im Gleichgewichtszustand eine niedrigere Temperatur und eine höhere Phasenraumdichte zur Folge. Die hier vorgestellte Technik eignet sich daher besonders, um Teilchen (Atome oder Moleküle) aus einem Strahl in eine Falle zu laden. Diese Technik setzt nur voraus, dass zustandsabhängige Potentiale mit externen Feldern erzeugt werden können und schnelles optisches Pumpen das ändern des internen Zustands erlaubt. Aus diesem Grund ist die hier beschriebene Methode vor allem für Atome und Moleküle interessant, die nur in Form von langsamen, aber schwachen oder radial heißen Strahlen vorliegen. Insbesondere bei Molekülen würde eine Methode zur Erzeugung von ultra-kalten Proben bis hin zu einem Bose-Einstein Kondensat den Weg für eine Reihe von spannenden Anwendungen ebnen. Dazu zählen der Quanten-Computer auf der Grundlage von polaren Molekülen in einem optischen Gitter oder Präzisionsmessungen zur Bestimmung der änderung von Naturkonstanten. Im zweiten Teil dieser Arbeit wenden wir Entmagnetisierungskühlung auf ein dichtes Chrom-Gas an. Die Entmagnetisierungskühlung beruht auf der Spin-Bahn-Kopplung, die Spin- und Bewegungs-Freiheitsgrade in thermisches Gleichgewicht bringt. Im Falle eines Gases, besteht zusätzlich der Vorteil darin, dass der Spinfreiheitsgrad sehr effizient durch optisches Pumpen gekühlt werden kann. Das relativ hohe magnetische Moment von Chromatomen von 6 Bohrmagneton erlaubt durch dipolare Relaxationsstöße eine schnelle Thermalisierung zwischen dem Spin- und dem Bewegungs-Freiheitsgrad. Sind die Stoßpartner im niedrigsten magnetischen Unterzustand, so müssen sie genügend relative Bewegungsenergie besitzen, um den energetisch höheren Unterzustand zu erreichen. Daher hängt die Rate der dipolare Relaxationsstöße von dem angelegten Magnetfeld ab. Wir untersuchen experimentell die Thermalisierung der Spin- und Bewegungs-Freiheitsgrade von Chromatomen als Funktion des externen Magnetfeldes in einer tiefen Dipolfalle. Hierbei finden wir gute übereinstimmungen mit theoretischen Vorhersagen. In der vorliegenden Arbeit wenden wir Entmagnetisierungskühlung auf Chromatome an und erhöhen die Phasenraumdichte dabei um mehr als zwei Größenordnungen auf den Wert von 0,03. Die Temperatur sinkt dabei von 90uK auf 6uK. Es zeigt sich, dass sowohl kontinuierliche Sisyphuskühlung als auch Entmagnetisierungskühlung durch einen dichtebegrenzenden Mechanismus limitiert sind. Wir untersuchen die Verlustraten als Funktion der Intensität des optischen Pumplichts und finden im Bereich von niedrigen Intensitäten einen Anstieg der Kühlrate sowie der Verlustrate, was ebenfalls die These der Licht-induzierte Stöße stützt. Beim Variieren der Verstimmung des optischen Pumplichts setzen Verluste erst ab einer bestimmten (positiven) Verstimmung ein. Wir erklären dieses Verhalten durch ein repulsives Molekülpotential zwischen einem Atom im Grundzustand und einem angeregten Atom. Erst ab einer bestimmten Verstimmung reicht die kinetische Energie aus, um die Dipolfalle zu verlassen. Wir überprüfen diesen Zusammenhang für verschiedene Tiefen der optischen Dipolfalle und bestätigen diesen Sachverhalt experimentell. Ander als bei den meisten Laserkühlverfahren kann die Energie, die beim Streuen eines einzelnen Photons dissipiert wird in der Größenordnung der thermischen Energie liegen. Dies erlaubt es mit nur wenigen Photonen einen starken Kühleffekt zu erzielen. Zum Schluss diskutieren wir weitere Möglichkeiten die Phasenraumdichte im kontinuierlichen Betrieb des Lademechanismus weiter zu erhöhen, wie z.B. durch einen Dimple