Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2010

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 > 650 nW (bei 20 dBc), einer Pulswiederholrate von 3.4 GHz, und einer RF-Linienbreite der frei-laufenden Pulswiederholrate < 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. / 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 > 16 nm at 20 dBc, a comb line optical power > 650 nW (at 20 dBc), a pulse repetition rate of 3.4 GHz, and an RF linewidth of the free-running pulse repetition rate < 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.

In der vorliegenden Doktorarbeit wird ein Dauerstrich Optisch Parametrischer Oszillator (cw OPO) vorgestellt, der speziell für die hochauflösende Dopplerfreie Molekülspektroskopie und Metrologie entwickelt wurde. Der kontrollierte Zugang zu jeder beliebigen Wellenlänge im breiten Emissionsspektrum von OPOs wie auch das präzise Abstimmen seiner Ausgangsfrequenz über zu untersuchende molekulare und atomare Übergänge stellten lange Zeit Probleme dar, deren Lösung die Grundzielsetzung dieser Arbeit war. Das im Laufe dieser Arbeit entwickelte System hat diese Ziele vollständig erreicht, was durch verschiedene Messungen und Anwendungen demonstriert wurde. Zu diesem Zweck wurde ein neues OPO-Design mit einem Intracavity-Etalon entwickelt und aufgebaut, wobei der OPO auf dem Konzept eines einfach-resonanten cw OPOs mit resonanter Pumpwelle basiert. Die OPO-Ausgangsstrahlung zeigt sehr gute Langzeitstabilität und Spektraleigenschaften, welche durch direkte Frequenzvergleichsmessungen mit einem optischen Methan-Frequenzstandard im Infraroten bestimmt wurden. Eine Idler-Linienbreite von 12 kHz und ein Modensprung-freier Betrieb des OPOs über einen Zeitraum von einigen Tagen wurde beobachtet. Außerdem wurde gezeigt, dass ein OPO zu einer hochstabilen optischen Referenz phasengelockt und somit seine Frequenz sehr genau kontrolliert und durchgestimmt werden kann. Als erste erfolgreiche Anwendung eines OPOs in der Dopplerfreien Spektroskopie wurde ein Aufbau zur Frequenz-Modulationsspektroskopie in Methan realisiert. Weiterhin, wurde der entwickelte cw OPO mit einem femtosekunden optischen Frequenzkamm kombiniert, um eine neue Idee für eine kohärente Verbindung zwischen dem sichtbaren und dem infraroten Spektralbereich zu realisieren. Als erste Demonstration dieser Technologie wurde ein direkter absoluter Frequenzvergleich zwischen einem Jod-stabilisierten Laser bei 532 nm und einem Methan-stabilisierten Laser bei 3390 nm durchgeführt. / This thesis presents a continuous-wave optical parametric oscillator (cw OPO), specially developed for high-resolution Doppler-free molecular spectroscopy and metrology. The basic objective was to solve the long-standing problem of controlled access to any desired wavelength in the wide emission range of OPOs, including the ability to precisely tune the output frequency over the molecular and atomic transitions of interest. The system implemented during this work fully achieves these goals and its performance was demonstrated in various measurements and applications. For this aim, a new design for the OPO cavity with an intracavity etalon was implemented, extending the concept of a cw singly resonant OPO with resonated pump wave. The newly developed device demonstrates very good long-term stability and spectral properties, which were determined in direct beat frequency measurements with a methane infrared optical frequency standard. Thus, an idler radiation linewidth of 12 kHz and mode-hop-free operation of the OPO over several days were observed. Furthermore, it was shown that an OPO can be phase locked to a highly stable optical reference and thus much more precisely controlled and tuned. As the first successful application of OPOs in Doppler-free spectroscopy, a frequency modulation spectroscopy setup for detection of sub-Doppler resonances in methane was implemented. Furthermore, the developed cw OPO was integrated with a femtosecond optical frequency comb to realize a new concept for a coherent link between the visible and infrared spectral ranges. As a first demonstration of this technique, a direct absolute frequency comparison between an iodine stabilized laser at 532 nm and a methane stabilized laser at 3390 nm was performed.