Laserstrahlquellen für Atominterferometrie unter Schwerelosigkeit

Bei quantenoptischen Experimenten – dazu gehören u.a. Atominterferometer und optische Uhren – ist es sinnvoll, dass diese unter Schwerelosigkeit stattfinden. Denn erst unter diesen Bedingungen lässt sich das inzwischen mögliche Potenzial hinsichtlich Präzision und Messgenauigkeit voll ausschöpfen. Bislang mangelte es jedoch an weltraumqualifizierten Lasersystemen, die eine Voraussetzung für die Durchführung dieser Experimente im Weltall sind.

Am FBH haben wir ein Lasermodulsystem für GaAs-Laserdioden entwickelt, das diese Lücke schließt. Unsere mikrooptische Bank (MIOB) misst 80 x 25 mm², enthält nach abgeschlossener Integration keine beweglichen Teile und ist mechanisch äußerst robust. Der Grundkörper ist aus AlN gefertigt und wird mit ausschließlich weltraumqualifizierten oder -qualifizierbaren Komponenten bestückt. Neben dem optischen Pfad verfügt jede MIOB über ein elektrisches Interface, welches erlaubt, die Laserdiode mit hoher Modulationsbandbreite zu stabilisieren.

Mit unseren MIOBs können wir Master Oszillator Power Amplifier (MOPA, siehe Abb. 1) und Extended Cavity Diode Laser (ECDL, siehe Abb. 2) realisieren. Das MOPA-System enthält eine energieeffiziente DFB-Diode, die für schmale Linienbreiten optimiert wurde, einen Mikroisolator, um optisches Feedback zu unterdrücken und einen Trapezverstärker, um hohe Ausgangsleistungen erreichen zu können. Diese MOPAs erreichen 35 kHz intrinsische Linienbreite bei 1,4 W optischer Ausgangsleistung bei 780 nm Emissionswellenlänge, wie in Abb. 1 dargestellt ist.

Für Anwendungen, die eine schmalere Linienbreite benötigen, werden ECDLs eingesetzt. Diese Module bestehen aus einer RW-Diode und einen externen volumenholographischen Bragg-Gitter (VHBG). Sie erreichen eine intrinsische Linienbreite von unter 2 kHz bei 35 mW und 767 nm Emissionswellenlänge. Durch individuelle Temperaturregelung des VHBGs und der RW-Diode können die ECDLs modensprungfrei um mehr als einen freien spektralen Bereich durchgestimmt werden. Sowohl die MOPA- als auch die ECDL-Module wurden erfolgreich bei 21 g_RMS random vibration noise getestet. Die ECDLs haben zudem Pyroshocktests bis 1500 g in drei Achsen bestanden.

Die hier beschriebenen Lasermodule kommen in Höhenforschungs-Raketenexperimenten wie FOKUS, MAIUS und KALEXUS sowie im Fallturmexperiment PRIMUS zum Einsatz.

Publikationen:

H. Müntinga, H. Ahlers, M. Krutzik, A. Wenzlawski, S. Arnold, D. Becker, K. Bongs, H. Dittus, H. Duncker, N. Gaaloul, C. Gherasim, E. Giese, C. Grzeschik, T.W. Hänsch, O. Hellmig, W. Herr, S. Herrmann, E. Kajari, S. Kleinert, C. Lämmerzahl, W. Lewoczko-Adamczyk, J. Malcolm, N. Meyer, R. Nolte, A. Peters, M. Popp, J. Reichel, A. Roura, J. Rudolph, M. Schiemangk, M. Schneider, S.T. Seidel, K. Sengstock, V. Tamma, T. Valenzuela, A. Vogel, R. Walser, T. Wendrich, P. Windpassinger, W. Zeller, T. van Zoest, W. Ertmer, W.P. Schleich, E.M. Rasel, "Interferometry with Bose-Einstein Condensates in Microgravity",
Phys. Rev. Lett., vol. 110, no. 093602 (2013).

E. Luvsandamdin, S. Spießberger, M. Schiemangk, A. Sahm, G. Mura, A. Wicht, A. Peters, G. Erbert, G. Tränkle, "Development of narrow linewidth, micro-integrated extended cavity diode lasers for quantum optics experiments in space", Appl. Phys. B, vol. 111, no. 2, pp. 255-260 (2013).

T.-P. Nguyen, M. Schiemangk, S. Spießberger, H. Wenzel, A. Wicht, A. Peters, G. Erbert, G. Tränkle, V. Kueller, U. Zeimer, M. Weyers, C. Reich, M. Kneissl, "Optimization of 780 nm DFB diode lasers for high-power narrow linewidth emission", Appl. Phys. B, vol. 108, no. 4, pp. 767-771 (2012).

FBH-Forschung: 08.09.2014