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.

Atominterferometrie (AI) auf Basis von Lichtpulsen ist ein wichtiges Werkzeug der Präzisionsmesstechnik in Bereichen der inertialen Sensorik oder Fundamentalphysik geworden. Vor allem in Kombination mit ultrakalten, atomaren Quellen, sowie der Verwendung im schwerelosen Raum, werden hohe Sensitivitäten erwartet, die Verletzungen des schwachen Äquivalenzprinzips nachweisen können. QUANTUS-2 ist ein mobiles Atominterferometer, das am ZARM Fallturm in Bremen operiert. Durch seine Atomchip-basierte atomare Rubidiumquelle mit hoher Flussdichte dient es als Vorreiterexperiment für zukünftige Weltraummissionen, bei denen Schlüsseltechnologien wie die Erzeugung von Bose-Einstein Kondensaten (BECs), Delta-Kick Kollimation oder Anwendung verschiedener AI-Geometrien auf sekundenlangen Zeitskalen untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Kalium-Diodenlasersystem aufgebaut, um die Funktionalität auf Zwei-Spezies Nutzung zu erweitern. Basierend auf dem Design des Rubidium-Diodenlasersystem mit mikrointegrierten Laserdiodenmodulen und kompakter Elektronik, konnte es erfolgreich qualifiziert werden. In einem Machbarkeitsbeweis wurde eine magneto-optische Falle mit Kalium generiert, die die Fähigkeit des Lasersystems zum Fangen von Atomen demonstriert. Mit Rubidium wurden offene Ramsey-Interferometer und Mach-Zehnder Interferometer (MZIs) am Boden und in über 155 Abwürfen untersucht. Die Kombination von unterschiedlich stark Delta-Kick kollimierten BECs und AI in Schwerelosigkeit eröffnete eine neue Methode zur Bestimmung der magnetischen Linsendauer zur optimalen Kollimierung. Asymmetrische MZIs mit Interferometerzeiten von 2T > 1s konnten erfolgreich demonstriert werden. Mit gravimetrischen Untersuchungen am Boden auf Basis von MZIs und einer zusätzlichen Methode der Atomlevitation wurde die lokale Gravitationsbeschleunigung g ermittelt. Die untersuchten Schlüsseltechnologien sind fundamentale Notwendigkeiten, um den Weg für zukünftige Weltraummissionen aufzubereiten. / Light-pulse atom interferometry (AI) is an important tool for high precision measurements in the fields of inertial sensing or fundamental physics. Especially in combination with ultra-cold atomic sources and operation in microgravity, high sensitivities are expected that are necessary for the search for violations of the weak equivalence principle. QUANTUS-2 is a mobile atom interferometer operating at the ZARM drop tower in Bremen. With its high-flux, atom chip-based atomic rubidium source, it serves as a pathfinder for future space missions, examining key technologies like the generation of Bose-Einstein condensates (BECs), implementation of delta-kick collimation or application of various AI geometries. In this thesis, a potassium diode laser system has been built to complete the preordained functionality of dual-species operation. Based on the design of the rubidium laser system with micro-integrated laser diode modules and compact electronics, it successfully passed the qualification tests. In a proof of principle measurement, a potassium magneto-optical trap could be generated to prove the system’s capability of trapping atoms. With rubidium, open Ramsey type interferometers and Mach-Zehnder interferometers (MZIs) were examined on ground and in over 155 drops in microgravity. The combination of variably delta-kicked collimated BECs and AI in microgravity revealed a new technique to determine the magnetic lens duration for optimal collimation. Asymmetric MZIs with interferometry times of 2T > 1s have successfully been demonstrated. Gravimetric examinations on ground with MZIs and by an additional levitation technique have been performed to determine the local gravitational acceleration g. The examined key technologies are fundamental necessities that have to be considered to pave the way for future space missions.

Quantensensoren auf Basis ultra-kalter Atome sind gegenwärtig auf dem Weg ihre klassischen Pendants als Messintrumente sowohl in Präzision als auch in Genauigkeit zu überholen, obwohl ihr Potential noch immer nicht vollständig ausgeschöpft ist. Die Anwendung von Quantensensortechnologie wie Materiewelleninterferometern im Weltraum wird ihre Sensitivität weiter steigen lassen, sodass sie potentiell die genauesten erdbasierten Systeme um mehrere Grössenordnungen übertreffen könnten. Mikrogravitationsplattformen wie Falltürme, Parabelflugzeuge und Höhenforschungsraketen stellen exzellente Testumgebungen für zukünftge atominterferometrische Experimente im Weltraum dar. Andererseits erfordert ihre Nutzung die Entwicklung von Schlüsseltechnologien, die hohe Standards in Bezug auf mechanische und thermische Robustheit, Autonomie, Miniaturisierung und Redundanz erfüllen müssen. In der vorliegenden Arbeit wurden erste Interferometrieexperimente mit degenerieten Quantengasen in Schwerelosigkeit im Rahmen des QUANTUS Projektes durchgeführt. In mehr als 250 Freifall-Experimenten am Bremer Fallturm konnte die Präparation, freie Entwicklung und Phasenkohärenz eines Rubidium Bose- Einstein Kondensates (BEC) auf makroskopischen Zeitskalen von bis zu 2 s untersucht werden. Dazu wurde ein BEC-Interferometer mittels Bragg-Strahlteilern in einen Atomchip-basierten Aufbau implementiert. In Kombination mit dem Verfahren der Delta-Kick Kühlung (DKC) konnte die Expansionsrate der Kondensate weiter reduziert werden, was zur Beobachtung von effektiven Temperaturen im Bereich von 1 nK führte. In einem Interferometer mit asymetrischer Mach-Zehnder Geometrie konnten Interferenzstreifen mit hohem Kontrast bis zu einer Verweildauer von 2T = 677 ms untersucht werden. / State-of-the-art cold atomic quantum sensors are currently about to outpace their classical counterparts in precision and accuracy, but are still not exploiting their full potential. Utilizing quantum-enhanced sensor technology such as matter wave interferometers in the unique environment of microgravity will tremendously increase their sensitivity, ultimately outperforming the most accurate groundbased systems by several orders of magnitude. Microgravity platforms such as drop towers, zero-g airplanes and sounding rockets are excellent testbeds for advanced interferometry experiments with quantum gases in space. In return, they impose demanding requirements on the payload key technologies in terms of mechanical and thermal robustness, remote control, miniaturization and redundancy. In this work, first interferometry experiments with degenerate quantum gases in zero-g environment have been performed within the QUANTUS project. In more than 250 free fall experiments operated at the drop tower in Bremen, preparation, free evolution and phase coherence of a rubidium Bose-Einstein condensate (BEC) on macroscopic timescales of up to 2 s have been explored. To this end, a BEC interferometer using first-order Bragg diffraction was implemented in an atomchip based setup. Combined with delta-kick cooling (DKC) techniques to further slow down the expansion of the atomic cloud, effective temperatures of about 1 nK have been reached. With an asymmetrical Mach-Zehnder geometry, high-contrast interferometric fringes were observed up to a total time in the interferometer of 2T = 677 ms.