Ein Lasersystem für Experimente mit Quantengasen unter Schwerelosigkeit

Abstract

Bereits Galilei untersuchte, ob verschiedene frei fallende Körper im Schwerefeld der Erde gleich stark beschleunigt werden, die sogenannte Universalität des freien Falls. Die Genauigkeit der experimentellen Überprüfungen konnte seitdem beständig gesteigert werden. Einen neuen Ansatz, die Messgenauigkeit noch weiter zu verbessern, bilden quantenmechanische Messmethoden, die auf Materiewelleninterferometrie beruhen. Die dabei genutzten Apparaturen verwenden Laserstrahlung zur Kühlung, Manipulation und Detektion der Atome. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung des Lasersystems für ein neues Experiment, das erstmals Zwei-Spezies-Atominterferometrie (mit Rb & K) in Mikrogravitation demonstrieren soll. Ein Lasersystem, das sowohl die funktionalen Anforderungen als auch die aus dem Einsatz auf dem Katapult des Fallturms resultierenden Anforderung (Volumen < 44 l, Masse < 35 kg und voll funktionsfähig sofort nach einem Katapultstart mit Beschleunigungen von 30 g) erfüllt, wurde funktional konzipiert und mechanisch designt. Zur Demonstration wurde der Rubidium-Teil des Lasersystems funktional sowie mechanisch qualifiziert. Inzwischen wird er routinemäßig für Experimente am Fallturm eingesetzt. Für das Lasersystem wurden kompakte und robuste schmalbandigen Lasermodule entwickelt. Diese liefern bei einer Grundfläche der optischen Bank von nur 10 mm x 50 mm Ausgangsleistungen von bis zu 3,7 W. Am Arbeitspunkt (1 W Ausgangsleistung) besitzen die Strahlquellen Linienbreiten im Bereich von 100 kHz (Lorentz) bzw. 1 MHz (-3 dB, 10 µs). Zum Nachweis der spektralen Stabilität der Lasermodule wurde ein Messverfahrens zur Charakterisierung des Frequenzrauschens freilaufender Laser entwickelt. Dieses basiert auf einer Schwebungsmessung mit anschließender Analyse der Quadraturkomponenten des Signals im Zeitbereich. Durch den Einsatz geeigneter Filter erlaubt es die Unterdrückung der für Diodenlaser typischen Frequenzdrifts.

Galileo, already, investigated whether different free falling bodies in the gravitational field of the Earth are accelerated at the same rate, the so-called universality of the free fall. The accuracy of the experimental tests has been steadily increased ever since. A new approach to further increase the measurement accuracy is provided by quantum mechanical measurements based on matter wave interferometry. The apparatuses used for this purpose employ laser radiation for cooling, manipulation, and detection of the atoms. The aim of this thesis’ work was the development of the laser system for a new experiment intended to demonstrate two-species atom interferometry (utilizing Rb & K) in microgravity for the first time. A laser system, which fulfills the functional requirements as well as the requirements resulting from the deployment on the catapult of the drop tower (volume < 44 l, mass < 35 kg, and fully functional immediately after a catapult launch with accelerations of 30 g), has been functionally conceived and mechanically designed. For demonstration, the rubidium part of the laser system was functionally and mechanically qualified. By now, it is routinely used for experiments at the drop tower. For the laser system, compact and robust spectrally narrow laser modules have been developed. These provide an output power up to 3.7 W at a footprint of the optical bench of only 10 mm × 50 mm. At the operating point (1 W output power), the radiation sources exhibit linewidths in the range of 100 kHz (Lorentzian) and 1 MHz (−3 dB, 10 μs). To validate the spectral stability of the laser modules a measuring method for the characterization of the frequency noise of free-running lasers has been developed. This method is based on a beat note measurement with subsequent analysis of the quadrature components of the signal in the time domain. By utilizing appropriate filters, it allows for the suppression of the frequency drifts that are typical for diode lasers.