Atombeugung ist das zentrale Konzept von Materiewelleninterferometern, die das Potenzial für hochpräzise Rotations- und Beschleunigungsmessungen bieten. Dafür sind ultrakalte Atome die ultimativen Quantensensoren. Indem der Impuls zweier Photonen aus gegenläufigen Laserstrahlen auf atomare Wellenpakete übertragen wird, entsteht eine kohärente Überlagerung im Impulsraum, wodurch atomare Strahlteiler und Spiegel realisiert werden.

Genauso wie klassische optische Systeme erfordern diese Materiewellenelemente genauste Spezifikationen und allgegenwärtige Imperfektionen müssen quantifiziert werden. Daher wird in dieser Arbeit die Performance von (3+1)D Atomstrahlteilern im Quasi-Bragg-Regime sowohl numerisch als auch analytisch untersucht und durch experimentelle Daten bestätigt [1]. Idealerweise wird das einlaufende Wellenpaket in zwei gleichgroße Teile aufgespalten oder perfekt reflektiert, unabhängig von seiner räumlichen und seiner Geschwindigkeitsverteilung. Die im Quasi Bragg-Regime auftretende Geschwindigkeitsselektivität sowie Verluste in unerwünschte Beugungsordnungen stellen jedoch nicht zu vernachlässigende Aberrationen dar. Im Gegensatz zu idealen ebenen Wellen, führen räumliche Variationen und Wellenfrontkrümmung von realistischen Lauguerre-Gauß-Laserstrahlprofilen, genauso wie unzulänglich ausgerichtete Laser, zu einer Verringerung der Beugungseffizienz und unerwünschten Impulskomponenten. Zeitlich glatte Pulseinhüllende verbessern dahingegen die Strahlteilereffizienz. Hier werden verschiedene Pulsformen berücksichtigt, wobei für einige geschlossene analytische Lösungen zugänglich sind.

Die realistischen Modellierungen und umfangreichen Aberrationsstudien charakterisieren die Atomstrahlteiler detailreich und zeigen Optimierungsmöglichkeiten, wobei beides für anspruchsvolle Experimente erforderlich ist.

Für heiße Ionen in Beschleunigerstrahlen wird die Atombeugung konträr zur Erzeugung eines Geschwindigkeitsfilters verwendet. Zwei gegenläufige, weit verstimmte Laser filtern eine enge Geschwindigkeitsklasse aus einer anfänglich breiten Ionenverteilung heraus. Dafür wird ein stimulierter Raman-Übergang zwischen den Grundzuständen eines Λ-Systems verwendet. Dieses kältere Subensemble stellt optimale Anfangsbedingungen für präzise kollineare Laserspektroskopie von schnellen Ionenstrahlen dar. Die Effizienz des Filters wird durch Aberrationen, wie spontane Emission der beiden Einzelphotonenresonanzen, sowie durch Laserrauschen induzierte Dekohärenz des Grundzustands, verringert. Räumliche Intensitätsschwankungen der Ionen- und Laserstrahlen werden berücksichtigt, während die Wellenfrontkrümmung vernachlässigbar ist. Eine umfassende Mastergleichung führt zu Bedingungen an das optimale Laserfrequenzpaar. Die Filterperformance wird charakterisiert durch den, sowohl numerisch als auch analytisch ausgewerteten, zeitaufgelösten Populationstransfer. Dabei bestätigen die analytische Modelle die numerischen Ergebnisse und verringern den Rechenaufwand.

Unter Berücksichtigung der genannten Aberrationen wird die Verwendung des Raman-Übergangs als Geschwindigkeitsfilter für heiße Ionen demonstriert. Dabei können sehr schmale Geschwindigkeitsklassen mit Breiten von 0,2 m/s übertragen werden, wobei gleichzeitig ein signifikante Population im Promille- bis Prozentbereich erreicht wird. In Bezug auf aktuelle 40-Ca+ Ionenexperimente begründet dies für die Messung hoher Ionenbeschleunigungsspannungen eine Sensitivität auf ppm-Niveau oder darunter.