A compact mode-locked diode laser system for high precision frequency comparison experiments
Creators: name: Christopher, Heike
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2021
Subjects: subject: Frequenzkamm
subject: Passive Modenkopplung
subject: Halbleiterlaser
subject: ECDL
subject: Mikrointegration
subject: frequency comb
subject: passive mode-locking
subject: semiconductor laser
subject: micro-integration
subject: 530 Physik

description: Optische Frequenzkämme (OFC) haben eine Vielzahl von Anwendungen in den angewandten Wissenschaften und der Grundlagenforschung, die auf der Bestimmung von absoluten Frequenzen und Frequenzdifferenzen beruhen, revolutioniert. Für letzteres wird nur die Stabilisierung des spektralen Abstandes der individuellen Kammlinien des OFCs benötigt, was erlaubt, den OFCG auf die Anwendung anzupassen und die Systemkomplexität zu reduzieren. Eine solche Anwendung ist der Quantentest der Universalität des Freien Falls (UFF) im Rahmen der Experimentserie QUANTUS. Mit diesem Test soll der Freie Fall zweier atomarer Spezies, Rubidium (Rb) und Kalium (K), in Mikrogravitation vergleichen werden. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die Entwicklung eines hochkompakten, robusten, und weltraum-tauglichen diodenlaser-basierten OFCG mit einem modengekoppelten optischen Spektrum im Wellenlängenbereich um 780 nm. Es wurde ein diodenlaser-basierter OFCG entwickelt, der mit einer spektrale Bandbreite von mehr als 16 nm bei 20 dBc, einer optischen Leistung der Kammlinien &gt; 650 nW (bei 20 dBc), einer Pulswiederholrate von 3.4 GHz, und einer RF-Linienbreite der frei-laufenden Pulswiederholrate &lt; 10 kHz die Anforderungen übertrifft. Um ein Proof-of-Concept Demonstratormodul zu realisieren, wurde der diodenlaser-basierte OFCG in eine weltraum-taugliche Technologieplattform, die für die Anwendung in zukünftigen QUANTUS-Experimenten entwickelt wurde, hybrid-integriert. Der Nachweis einer ausreichend hohen RF-Stabilität des OFCGs wurde durch Stabilisierung der Pulswiederholrate auf eine externe RF Referenz erbracht. Dies ermöglichte eine stabilisierte Pulswiederholrate mit einer RF-Linienbreite von weniger als 1.4 Hz (auflösungsbegrenzt), was die die Anforderung übertrifft. Der entwickelte diodenlaser-basierten OFCG ist wichtiger Schritt in Richtung eines verbesserten Vergleichs des Freien Falls von Rb- und K-Quantengasen innerhalb der QUANTUS-Experimente in Mikrogravitation.
description: Optical frequency combs (OFC) have revolutionized various applications in applied and fundamental sciences that rely on the determination of absolute optical frequencies and frequency differences. The latter requires only stabilization of the spectral distance between the individual comb lines of the OFC, allowing to tailor and reduce system complexity of the OFC generator (OFCG). One such application is the quantum test of the universality of free fall within the QUANTUS experimental series. Within the test, the rate of free fall of two atomic species, Rb and K, in micro-gravity will be compared. The aim of this thesis was the development of a highly compact, robust, and space-suitable diode laser-based OFCG with a mode-locked optical spectrum in the wavelength range around 780 nm. A diode laser-based OFCG was developed, which exceeds the requirements with a spectral bandwidth &gt; 16 nm at 20 dBc, a comb line optical power &gt; 650 nW (at 20 dBc), a pulse repetition rate of 3.4 GHz, and an RF linewidth of the free-running pulse repetition rate &lt; 10 kHz. To realize a proof-of-concept demonstrator module, the diode laser-based OFCG was hybrid-integrated into a space-suitable technology platform that has been developed for future QUANTUS experiments. Proof of sufficient RF stability of the OFCG was provided by stabilizing the pulse repetition rate to an external RF reference. This resulted in a stabilized pulse repetition rate with an RF linewidth smaller than 1.4 Hz (resolution limited), thus exceeding the requirement. The developed diode laser-based OFCG represents an important step towards an improved comparison of the rate of free fall of Rb and K quantum gases within the QUANTUS experiments in micro-gravity.