Wasserdampf in der Stratosphäre und Troposphäre ist eines der wichtigsten atmosphärischen Treibhausgase. Neben seiner Bedeutung für das Klima hat es großen Einfluss auf die Bildung von polaren stratosphärischen Wolken sowie auf die atmosphärische Chemie. Weltweit erstmalig soll innerhalb eines Forscherverbundes in Deutschland ein leistungsstarkes, mobiles, abtastendes Wasserdampf-DIAL zur dreidimensional hochaufgelösten Messung des atmosphärischen Wasserdampfs entwickelt werden. Mit dem Wasserdampf-DIAL können Wasserdampfkonzentrationen in der Atmosphäre mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung gemessen werden. Das DIAL basiert auf einem Titan-Saphir-Laser oder einem dazu alternativen OPO-Laser (optisch parametrischer Oszillator). Der für das optische Pumpen dieser Laser nötige Pumplaser wurde im Rahmen dieser Arbeit in der Arbeitsgruppe Nichtlineare Optik des Instituts für Physik der Universität Potsdam entwickelt. Ein hochauflösendes, mobiles DIAL erfordert einen Pumplaser mit großen Pulsenergien, guter Strahlqualität und einer hohen Effizienz. Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein MOPA-System (Master Oscillator Power Amplifier) mit Frequenzstabilisierung auf der Basis von doppelbrechungskompensierten, transversal diodengepumpten Laserstäben entwickelt und untersucht. Auf dem Weg dahin wurden unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten des MOPA-Systems geprüft. Im Rahmen dessen wurden die Festkörperlasermaterialien Yb:YAG [1], kerndotierte Nd:YAG-Keramik [2] und herkömmliches Nd:YAG vorgestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für dieses MOPA-System untersucht. Nachdem die Entscheidung für Nd:YAG als laseraktives Material gefallen war, konnte darauf aufbauend die Konzeptionierung des Lasersystems auf der Basis von Verstärkungsrechnungen vorgenommen werden. Die entwickelte Verstärkungsrechnung trägt den Tatbeständen von realen Systemen Rechnung, indem radiusabhängige Intensitäten und eine radiale, nicht homogene Inversionsdichte berücksichtigt werden. Die Frequenzstabilisierung des gepulsten Oszillators (Frequenzstabilität von 1 MHz) wurde mittels des Pound-Drever-Hall-Verfahrens vorgenommen. Mit der Heterodynmethode wird die Frequenzstabilität des Oszillators gemessen. Nach Untersuchungen über verschiedene Konfigurationen für lineare und ringförmige Oszillatoren, wurde ein Ringoszillator mit zwei Laserköpfen aufgebaut, in welchen von außen mit einem Laser fester Frequenz eingestrahlt wird. Dieser emittiert bei einer Wiederholrate von 400 Hz eine Pulsenergie von Eout = 21 mJ bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität (M2 < 1,2). Die Verstärkung dieser Laserpulse erfolgte zunächst durch eine Vorverstärkerstufe und anschließend durch zwei doppelbrechungskompensierte Hauptverstärker im Doppeldurchgang. Eine gute Strahlqualität (M2 = 1,75) konnte unter anderem erzielt werden, indem der Doppeldurchgang durch die Hauptverstärker mit einem phasenkonjugierenden Spiegel (SF6), auf der Basis der stimulierten Brillouin Streuung, realisiert wurde. Der entwickelte Laser emittiert Pulse mit einer Länge von 25 ns und einer Energie von 250 mJ. Insgesamt wurde ein bisher einmaliges Lasersystem entwickelt. In der Literatur sind die erreichte Frequenzstabilität, Strahlqualität und Leistung in dieser Kombination bisher nicht dokumentiert. In der Zukunft soll durch den Einsatz von kerndotierten, keramischen Lasermaterialien, höheren Pumpleistungen der Hauptverstärker und phasenkonjugierenden Spiegeln aus Quarz die Pulsenergie des Systems weiter erhöht werden. [1] M. Ostermeyer, A. Straesser, “Theoretical investigation of Yb:YAG as laser material for nanosecond pulse emission with large energies in the joule range”, Optics Communications, Vol. 274, pp. 422-428 (2007) [2] A. Sträßer and M. Ostermeyer, “Improving the brightness of side pumped power amplifiers by using core doped ceramic rods”, Optics Express, Vol. 14, pp. 6687- 6693 (2006) / Vapour in the stratosphere and troposphere is one of the most important atmospheric greenhouse gases. Apart from its importance for the climate it has a great influence on the formation of polar stratospheric clouds as well as the atmospheric chemistry. A German research group is currently developing the world’s first powerful, mobile, screening vapour-DIAL, which can measure the atmospheric vapour three-dimensionally and in high resolution. Vapour concentrations in the atmosphere can be measured in high temporal and local resolution with this vapour-DIAL. The DIAL is based on a titan-saphire-laser or an alternative OPO-laser (Optical Parametric Oscillator). The seeding-laser, which is needed in order to seed those lasers, was developed in the course of this work by the research group for nonlinear optics in the institute for physics at the University of Potsdam. A highly-resolutive, mobile DIAL needs a seeding-laser with high pulse energy, excellent beam quality and high efficiency. In order to realise this, a frequency stabilised MOPA-System (Master Oscillator Power Amplifier) was developed, which based on birefringence-compensated, transversally diode-pumped laser rods. During the research process several ways to realise the MOPA-System were investigated. In this process the solid laser materials Yb:YAG [1], core-doped Nd:YAG-Ceramics [2] und conventional Nd:YAG were introduced and their suitability for the MOPA-System was investigated. After the choice for Nd:YAG as laser-active material was made, the concept of the laser-system could be developed based on amplification-calculations. The amplification-calculation meets the requirements of real systems, because intensities depending on diameter and a radial, non-homogeneous inversion density are being taken into consideration. The frequency of the pulsed oscillator (frequency stabilisation of 1 MHz) was stabilised by means of the Pound-Drever-Hall-Method. The frequency stability of the oscillator is measured using the Heterodyn-Method. After the investigation of different configurations for linear and circular oscillators a circular oscillator with two laser heads was set up, which is injection-seeded by a second laser with a stable frequency. At a repetition rate of 400 Hz the circular oscillator emits a pulse energy of Eout = 21 mJ with almost diffraction-limited beam quality (M2 < 1.2). These laser pulses were first amplified by a pre-amplifier and afterwards by two birefringence compensated main-amplifier in doublepass. Among other factors, an excellent beam quality (M2 = 1.75) could be reached by the doublepass through the main amplifier realised with a phase conjugating mirror (SF6) based on stimulated Brillouin-scattering. The developed laser emits pulses that are of 25 ns length and have an energy of 250 mJ. A currently unique laser system was developed. In the research findings there are no previous documents of the combination of the reached stability of frequency, beam quality and power in one system. In the future the pulse energy of the system is to be further increased through the use of core-doped, ceramic laser material, a higher pump power of the main amplifiers and phase-conjugating mirrors made of quartz. [1] M. Ostermeyer, A. Straesser, “Theoretical investigation of Yb:YAG as laser material for nanosecond pulse emission with large energies in the joule range”, Optics Communications, Vol. 274, pp. 422-428 (2007) [2] A. Sträßer and M. Ostermeyer, “Improving the brightness of side pumped power amplifiers by using core doped ceramic rods”, Optics Express, Vol. 14, pp. 6687- 6693 (2006)

LISA (Laser Interferometer Space Antenna) ist ein geplanter Gravitationswellendetektor, der aus drei Satelliten bestehen soll, deren Abstand mit Hilfe von Laserinterferometrie überwacht wird. Die hohe Frequenzstabilität der Laser, die dafür benötigt wird, soll mit einem dreistufigen Verfahren erreicht werden. Dieses beinhaltet eine Vorstabilisierung, die nicht nur hohe Stabilität sondern auch Durchstimmbarkeit aufweisen muss. Eine Möglichkeit so eine durchstimmbare Vorstabilisierung zu realisieren ist die Verwendung eines optischen Resonators mit eingebautem Piezoaktuator. Dies ist an sich kein neuer Ansatz, wurde bisher allerdings noch nicht mit der geforderten Stabilität realisiert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene piezoelektrisch durchstimmbaren Resonatoren aufgebaut und hinsichtlich ihres Rauschverhaltens und Durchstimmbereichs untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Resonatoren alle Anforderungen an eine durchstimmbare Vorstabilisierung für LISA erfüllen. Darüber hinaus gibt die hier präsentierte Arbeit einen neuen Einblick in das Potential von piezoelektrisch durchstimmbaren Resonatoren. Ihre Stabilität ist nur eine Größenordnung geringer als die der besten nicht durchstimmbaren Resonatoren der gleichen Länge und das gemessene Rauschen kann dabei nicht nicht den Piezoaktuatoren zugeordnet werden. Es sollte also prinzipiell möglich sein noch bessere Stabilitäten mit piezoelektrisch durchstimmbaren Resonatoren zu erzielen. In der Tat zeigen theoretische Untersuchungen, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden, dass die intrinsische Stabilität eines Resonators durch den Einbau eines Piezoaktuators nur geringfügig herab gesetzt wird. Hoch-stabile piezoelektrisch durchstimmbare Resonatoren können über eine Verwendung in LISA hinaus auch bei zahlreichen anderen Anwendungen zum Einsatz kommen, wie z.B. in der Cavity Enhanced Spektroskopie als Transfer Resonatoren oder als optische Lokaloszillatoren in der Atom- und Molekülspektroskopie. / The Laser Interferometer Space Antenna (LISA) is a proposed space-based gravitational wave detector that aims to detect gravitational waves in the low frequency range from 0.1 mHz to 1 Hz, which is not accessible by ground-based detectors. It consists of three satellites whose distance is monitored by laser interferometry. The high frequency stability of the lasers required for this purpose is to be achieved with a three level noise reduction scheme. This includes a pre-stabilization stage that has to feature not only high stability but also tunability. One approach for such a tunable pre-stabilization is stabilizing a laser to an optical cavity with incorporated piezoelectric actuator. While this is not a new concept per se, it has never been realized with the required stability until now. Within this thesis, different types of piezo-tunable cavities have been built and thoroughly analyzed. It could be shown that the cavities fulfill all requirements for a tunable laser pre-stabilization for LISA. Furthermore, the work presented here gives a new insight into the potential of piezo-tunable cavities. Their performance is only one order of magnitude below that of the best non-tunable cavities of the same length and the measured noise can not be attributed to the integration of the piezo actuators. So, in principal, an even better performance should be achievable with piezo-tunable cavities. Indeed, theoretical considerations performed within this thesis reveal that the intrinsic stability of piezo-tunable cavities is only slightly inferior to that of rigid cavities. Beyond an application in LISA, highly stable piezo-tunable cavities are also valuable devices for numerous other applications. They can be used in cavity enhanced spectroscopy, as transfer cavities or as optical local oscillators in atomic and molecular spectroscopy.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von optischen Absolutfrequenzreferenzen basierend auf rovibronischen Übergängen in molekularen Jod. Dabei werden Methoden der Doppler-freien Sättigungsspektroskopie angewendet, um einzelne Übergänge der Hyperfeinstruktur mit Linienbreiten unterhalb von 1 MHz im B-X System von molekularem Iod bei 532 nm, der zweiten harmonischen des Nd:YAG-Laser, aufzulösen. Elektronische Regelungstechniken ermöglichen eine präzise Stabilisierung der optischen Frequenz auf die Linienmitte der Übergänge mit einer Auflösung von Teilen in 10^5. Mit dem Ziel einer weltraumtauglichen Absolutfrequenzreferenz für zukünftige Weltraummissionen, wurden zwei Spektroskopiemodule konzipiert und in quasi-monolithischen Glaskeramik-Aufbauten, als sogenanntes elegant breadboard model und engineering model, realisiert. Diese Jodfrequenzreferenzen wurden im Detail in Bezug auf ihre Frequenzstabilität und Reproduzierbarkeit untersucht und Letzteres wurde für die angestrebte Weltraumqualifizierung ersten Umwelttests, sowohl vibrations- als auch thermischen Belastungstests, unterzogen. Für die Untersuchung der Frequenzstabilität dieser Jodreferenzen wurde ein auf einen optischen Resonator hoher Güte stabilisiertes Lasersystem für direkte Frequenzvergleiche bei 1064 nm realisiert. Die Analyse der Frequenzstabilität der Jod Referenzen zeigt eine Frequenzstabilität von 6x10^−15 bei 1 s, und weniger als 2x10^−15 bei 100 s Integrationszeit, was der bis heute besten veröffentlichten Frequenzstabilität entspricht die mit Jod Referenzen erreicht wurde. Mit der erreichten Frequenzstabilität ermöglichen diese Absolutfrequenzreferenzen präzise Lasersysteme für zukünftige Weltraummissionen wie z.B. zur Detektion von Gravitationswellen, zur Vermessung des Gravitationsfelds der Erde oder für Präzisionstest fundamentaler Theorien der Physik. / This thesis deals with the development and investigation of optical absolute frequency references based on rovibronic transitions in molecular iodine. Doppler-free saturation spectroscopy methods are employed to resolve individual transitions of the hyperfine structure with linewidths below 1 MHz in the B-X system of molecular iodine at 532 nm with the second harmonic of Nd:YAG lasers. Electronic feedback control systems are employed for laser frequency stabilization to the line center of the optical transitions with a line splitting of 10^5. With the goal of a space qualified optical absolute frequency reference for future laser-interferometric space missions, two spectroscopy setups were designed and realized in quasi-monolithic, glass-ceramic setups as so called elegant bread board model and engineering model. These iodine references were characterized in detail with respect to their frequency stability and reproducibility and the engineering model was subject to environmental tests, including vibrations and thermal cycling to verify its applicability in future space missions. For the investigation of the frequency instability of these iodine references, a frequency stabilized laser system was realized based on a temperature controlled high Finesse ULE cavity for direct frequency comparisons at 1064 nm. Analysis of the frequency stability of the iodine references revealed exceptionally low fractional frequency instability of 6x10^−15 at 1 s, averaging down to less than 2×10^−15 at 100 s integration time, constituting the best reported stability achieved with iodine references to date. With the demonstrated performance, these absolute frequency references enable precision laser systems required for future space missions that are dedicated to, e.g., the detection of gravitational waves, mapping of the Earth’s gravitational field or precision test of fundamental physics.