Der Welle-Teilchen Dualismus, welcher eines der zentralen Konzepte der Quantenphysik darstellt, zeigt sich in besonders eindrucksvoller Weise in Atominterferometern. Neben der Erforschung fundamentaler Dekohärenzmechanismen von Materiewellen stellen sie auch eine neuartige Methode der Inertialmessung dar. Aktuell übertrifft die Empfindlichkeit von Gravimetern auf Materiewellenbasis bereits die von klassischen Instrumenten, was bahnbrechende Anwendungen in der Geodäsie und Tests von Gravitationstheorien ermöglicht.
Da die Phasenverschiebung einer Materiewellen mit dem Quadrat der Zeit T skaliert, die die Welle im Interferometer verbringt, ist der Schlüssel zum Ausschöpfen des vollen Potentials von Atominterferometern die Maximierung von T. In Bodenexperimenten ist dieser Wert jedoch durch die Zeit limitiert, die die Atome benötigen, um aus dem Detektionsvolumen herauszufallen, welches durch die Vakuumkammer begrenzt wird. Eine Lösung dieses Problems ist es, den kompletten Aufbau in freien Fall zu versetzen. Es existieren diverse Plattformen wie Falltürme und Forschungsraketen, die Mikrogravitation verschiedenster Qualität, Dauer und Wiederholbarkeit bereitstellen.
Im Rahmen dieser Dissertation wurden innovative Lasersystemkonzepte entwickelt und getestet, um atomoptische Experimente auf Höhenforschungsraketen zu ermöglichen, die einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu Satellitenmissionen darstellen. Eine wesentliche Herausforderung ist es hierbei, hervorragende mechanische sowie thermische Stabilität in Verbindung mit wartungsfreiem Betrieb auf engstem Raum zu erreichen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde die Glaskeramik Zerodur verwendet, die eine nahezu verschwindende thermische Ausdehnung aufweist. Insbesondere wurden erstmalig Faserkoppler und -kollimatoren entwickelt, die beinahe vollständig aus Zerodur bestehen. In Kombination mit lichthärtenden Klebstoffen wurden so Kopplungseffizienzen bis zu 90% erreicht mit einer thermischen Empfindlichkeit unter 4e-3 pro K. Die einzelnen Komponenten wurden zu anspruchsvollen optischen Systemen integriert, die hervorragend für Quantenoptik Experimente unter Schwerelosigkeit geeignet sind. Ein System bestehend aus einem Diodenlaser und einem Frequenzstabilisierungsmodul aus Zerodur hat bereits sämtliche Qualifizierungstests bestanden und wird im Mai 2014 erstmalig optische Präzisionsspektroskopie auf einer Forschungsrakete demonstrieren.
Ein vielversprechender Ansatz, die Nutzbarkeit von Atominterferometern weiter zu verbessern, ist die Führung von Materiewellen. Eine mögliche Realisierung ist die Führung der Atome in einer optischen Dipolfalle, die im Kern einer Hohlkernfaser propagiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Ensemble von kalten 85Rb Atomen in einer solchen Hohlkernfaser auf seine Temperatur und räumliche Verteilung hin untersucht. Diese Eigenschaften bestimmen auch den Überlapp der Atome mit einem resonanten Lichtfeld in der Faser. Als Resultat der räumlichen Eingrenzung von Licht und Atomen auf einer transversalen Fläche von der Größenordnung eines Streuquerschnitts lassen sich hohe optische Dichten erzielen. In dieser Arbeit wurde der bestehende Materiewellenleiter einschneidend erweitert, um von dieser hohen Dichte Gebrauch machen zu können. Durch sorgfältige Wahl der Faser sowie Optimierungen von Laderate und Detektion, konnten optische Dichten > 50 gemessen werden. Diese Ergebnisse eröffnen eine neuartige Möglichkeit, nichtlineare Optik bei kleinsten Lichtleistungen zu erforschen.
The wave-particle duality which is one of the central concepts of quantum theory beautifully manifests itself in matter wave interferometers. In addition to the prospect of studying fundamental decoherence mechanisms of matter waves, atom interferometers promise to dramatically impact the field of inertial sensing. Nowadays, gravitational sensing can be performed with a sensitivity surpassing the one of classical gravimeters allowing for applications in geodesy and tests of gravitational theories.
Since the phase shift in an atom interferometer scales with the square of the time T the matter wave spends in the interferometer, the key to tapping its full potential is the maximization of T. In ground based experiments this value is limited to the time it takes the matter wave to drop out of the interrogation volume defined by the vacuum chamber. A solution to this problem is to put the complete experimental setup into free fall. Several platforms such as drop towers or sounding rockets exist which can provide microgravity environments of varying quality, duration and repeatability.
In the course of this dissertation, innovative laser system concepts were developed and thoroughly tested with the intention to render atom optics experiments aboard a sounding rocket possible which serve as an important stepping stone towards orbital campaigns. The main challenge in this context is the achievement of large mechanical and thermal stability in conjunction with maintenance-free operation in a tight space. To meet these demands, the optical systems presented here are based on Zerodur benefiting from its vanishing thermal expansion coefficient. In particular, single mode fiber couplers and collimators for quantum optics experiments which are based almost entirely on Zerodur were developed for the first time within this work. With these complex fiber couplers and jointing techniques based on light curing adhesives, coupling efficiencies as high as 90% are achieved with a thermal sensitivity below 4e-3 per K. The individual components were integrated into sophisticated optical systems well suited for quantum optics experiments in space. An integrated system consisting of a diode laser and a Zerodur based frequency stabilization module has already passed all relevant qualification tests and will perform the first optical precision spectroscopy on a sub-orbital space flight in May 2014.
A promising approach to further improve the performance of atom interferometers is to provide a guiding potential for the matter waves. A possible realization of such a matter wave guide is a hollow fiber which supports a light mode providing an optical dipole potential for laser cooled atoms. In the course of this thesis, the properties of an ensemble of cold 85Rb atoms in such a hollow guide have been thoroughly characterized regarding its temperature and spatial extent. These quantities also determine the overlap of the atoms with a resonant light field in the fiber indicating that huge optical depths can be achieved. This is largely a result of the confinement of both atoms and light field to a transverse area close to the resonant scattering cross section. In this thesis, the existing matter wave guide has been radically adapted such that the OD becomes accessible. By a careful choice of fiber and an optimization of the trapping and detection system, an optical depth OD > 50 was measured. These findings enable a new route towards nonlinear optics at low light levels using schemes based on electromagnetically induced transparency.