Ein Lasersystem für Experimente mit Quantengasen unter Schwerelosigkeit

Bereits Galilei untersuchte, ob verschiedene frei fallende Körper im Schwerefeld der Erde gleich stark beschleunigt werden. Diese sogenannte Universalität des freien Falls wurde seither immer präziser experimentell untersucht. Quantenmechanische Messmethoden, die auf Materiewelleninterferometrie beruhen, bieten einen neuen Ansatz, die Messgenauigkeit noch weiter zu verbessern. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Lasersystem für ein neues Experiment entwickelt, das erstmals Zwei-Spezies-Atominterferometrie in Mikrogravitation demonstrieren soll.
Dieses Lasersystem wurde so konzipiert und mechanisch designt, dass es die funktionalen Anforderungen erfüllt und auf dem Katapult des Bremer Fallturms eingesetzt werden kann – mit den folgenden Spezifikationen: Volumen < 44 l; Masse < 35 kg; sofort voll funktionsfähig nach Beschleunigungen von 30 g. Der in der Arbeit funktional sowie mechanisch qualifizierte Teil des Lasersystems wird inzwischen routinemäßig am Fallturm eingesetzt.
Dafür wurden kompakte und robuste schmalbandige Diodenlasermodule entwickelt, die Ausgangsleistungen von bis zu 3,7 W auf einer Grundfläche der optischen Bank von nur 10 mm x 50 mm liefern. Am Arbeitspunkt von1 W besitzen die Strahlquellen Linienbreiten im Bereich von 100 kHz (Lorentz) bzw. 1 MHz (-3 dB, 10 µs). Um die spektrale Stabilität der Lasermodule nachzuweisen, wurde ein spezielles Messverfahren zur Charakterisierung des Frequenzrauschens freilaufender Laser entwickelt.
Diese Entwicklungen tragen entscheidend dazu bei, ein Zwei-Spezies-Atominterferometer in Mikrogravitation zu demonstrieren – und sind damit einer der wichtigen Schritte auf dem Weg zu einem Test der Universalität des freien Falls mit Quantengasen unter Schwerelosigkeit.