Atom Interferometrie ist eine sehr genaue und sensitive Methode mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, zu der auch die Messung der Erdbeschleunigung zählt. Während die meisten Atom Interferometer aus großen, ortsfesten Aufbauten bestehen, werden auf diesem Gebiet häufig mobile Messgeräte benötigt. Das Gravimetric Atom Interferometer (GAIN) Projekt wurde ins Leben gerufen, um dieser zusätzlichen Anforderung bei bestmöglicher Messgenauigkeit gerecht zu werden. Es soll eine Alternative zu anderen modernsten Gravimetertypen geschaffen werden, die wichtige funktionale Eigenschaften wie eine hohe Auflösung und absolute Genauigkeit in einem Gerät vereint. Der GAIN Sensor verwendet lasergekühlte Rb87 Atome in einer 1 m hohen Fontäne. Mit Hilfe von stimulierten Raman Übergängen wird ein beschleunigungssensitives Interferometer realisiert. In dieser Arbeit wurde der Sensor mit Blick auf mobile und driftfreie Langzeitmessungen weiterentwickelt. Dafür wurden einzelne Subsysteme des Laseraufbaus auf die daraus resultierenden Anforderungen hin angepasst oder neu entwickelt. Mit derselben Zielstellung wurden weiterhin systematische Effekte in dem Messaufbau untersucht und Maßnahmen für ihre Reduzierung realisiert. Der Aufbau wurde transportiert und in relevanten Umgebungen getestet. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Leistungsfäigkeit dieses Aufbaus mit denen der wichtigsten und modernsten Gravimeter konkurieren kann, sie teilweise übertrifft und dass dieser Sensor zur präzisen Kalibrierung der relativen Gravimeter verwendet werden kann. In den Messungen wurde eine Sensitivität von 138 nm/s^2/Sqrt(Hz) sowie eine Langzeitstabilität von 5 x 10^−11 g über 10^5 s erreicht. / Atom interferometry offers a very precise and sensitive measurement tool for various areas of application whereof one is the registration of the gravity acceleration. While the vast majority of atom interferometers include large and stationary setups, this field very often implies the additional request for a mobile apparatus. The Gravimetric Atom Interferometer (GAIN) project has been started to meet this requirement and to provide best possible accuracy at the same time. It aims to realize an alternative to other types of gravimeters and to combine important qualities such as high sensitivity and absolute accuracy in one instrument. The GAIN sensor is based on laser-cooled Rb87 atoms in a 1 m atomic fountain. Stimulated Raman transitions form a Mach-Zehnder type interferometer which is sensitive to accelerations. In this work it has been advanced to meet all requirements for mobile and drift-free long-term operation. Therefore, selected parts of the laser system have been improved or redeveloped. A second focus has been on systematic effects for the same objective. They have been analyzed and measures for their suppression have been undertaken. The apparatus has been transported, tested in relevant environments, and compared to the most important state-of-the-art gravimeter types where a competitive performance has been achieved. It is demonstrated, that the gravity signal of this sensor allows for a precise calibration of the relative gravimeter types. During the measurements a best sensitivity of 138 nm/s^2/Sqrt(Hz) and a stability of 5 x 10^−11 g after 10^5 s has been reached.

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.

Quantensensoren, wie Atominterferometer und Atomuhren werden zu hochpräzisen und akkuraten Messungen von Inertialkräften und der Zeit benutzt und sind hervorragend dazu geeignet fundamentale Fragestellungen der Physik anzugehen und die Aussagen der allgemeinen Relativitätstheorie zu testen. Die Empfindlichkeit von Atominterferometern skaliert quadratisch mit der freien Entwicklungszeit und die Verwendung von Quantensensoren im Weltraum ist prädestiniert die Genauigkeit von Tests des Äquivalenzprinzips um mehrere Größenordnungen zu verbessern. Zusätzlich, werden präzise und akkurate Sensoren für Inertialkräfte, im Bereich der Navigation oder Geodäsie benutzt wo mobile auf Atominterferometrie basierende Geräte noch selten sind. Diese Arbeit trägt zur Entwicklung von hochempfindlichen und stabilen mobilen Quantensensoren bei. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden drei mobile Vergleichsmessungen der Erdbeschleunigung mit dem Atominterferometer GAIN an verschiedenen geographischen Orten durchgeführt. Die demonstrierte Stabilität von 5*10^-11 g nach 10^5 s übertrifft die Stabilität von klassischen Gravimetern. Mit dem Ziel von Weltraumgestützten Atominterferometern wurde ein kompaktes Lasersystem für den Betrieb von Atominterferometrie mit Rubidium Bose-Einstein Kondensaten auf Höhenforschungsraketen entworfen, qualifiziert und in Betrieb genommen. Zusätzlich wurden drei Nutzlasten für dein Einsatz auf Höhenforschungsraketen realisiert um die Reife der notwenigen Subsysteme zu zeigen. Dopplerfreie Laserspektroskopie an Rubidium und Kalium wurde verwendet um eine optische Frequenzreferenz zu realisieren und während der Flüge wurde mit einem Frequenzkamm zu vergleichen. Diese Messung stellt einen ersten Test der Lokalen Lorenz Invarianz im Weltraum dar. Diese Aktivitäten ebnen den Weg für den zukünftigen Einsatz von Quantensensoren im Weltraum die noch nie dagewesene Tests der fundamentalen Physik, Weltraumgeodäsie oder sogar Gravitationswellen ermöglichen. / Quantum sensors, such as atom interferometers and atomic clocks are used for high precision and accurate measurements of inertial forces and time and are therefore ideally suited to address fundamental questions in physics and to test the predictions of general relativity. The sensitivity of atom interferometers scales quadratically with the free evolution time and the use of quantum sensors in space is predestined to improve the accuracy of such tests by several orders of magnitude. Additionally, precise and accurate sensors for inertial forces are required in the field of navigation or geodesy where mobile devices based on atom interferometry are still rare. This work contributes to the development of highly sensitive and stable mobile quantum sensors. In the course of this thesis, three measurement comparisons of the gravitational acceleration with the mobile atom interferometer GAIN were performed at different geographic locations. The demonstrated stability of 5*10^-11 g after 10^5 s surpasses the one reached by classical gravimeters. With the goal of space-born atom interferometry, a compact laser system for operation of atom interferometry with Bose-Einstein condensates of rubidium on a sounding rocket was designed, qualified and put in operation. Additionally, three sounding rocket payloads were realized to show the technological maturity of the necessary subsystems. Doppler-free laser spectroscopy of rubidium and potassium was used to realize an optical frequency reference that was compared during the flights to an atomic microwave standard via a frequency comb. This measurement represents the first test of the Local Position Invariance in space. These activities pave the way for future deployment of quantum sensors in space enabling unprecedented tests of fundamental physics, space geodesy or even gravitational wave detection.

Atominterferometer erlauben es, Beschleunigungen mit bisher nicht erreichter Präzision zu messen. Anwendungen in der Grundlagenforschung beinhalten Gravitationswellendetektoren, die Bestimmung von Naturkonstanten oder Tests des schwachen Äquivalenzprinzips. Die Sensitivität eines Sensors für Tests des schwachen Äquivalenzprinzips skaliert quadratisch mit der Zeit der freien Entwicklung der Atome während der Interferometersequenz. Durch die Verwendung von Bose-Einstein-Kondensaten mit stark reduzierter Ausdehnungsgeschwindigkeit sowie dem Betrieb in Schwerelosigkeit kann die Sensitivität um Größenordnungen verbessert werden. Das QUANTUS-2 Experiment stellt die zweite Generation eines mobilen Atominterferometers dar, welches am Fallturm in Bremen zum Einsatz kommt und dient als Wegbereiter für zukünftige Experimente mit kalten Atomen auf Satelliten. Durch differentielle Messung der Beschleunigung von Rubidium und Kalium mit Hilfe der Atominterferometrie soll das schwache Äquivalenzprinzip getestet werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das auf mikro-integrierten Diodenlasern sowie einer kompakten Elektronik basierende Rubidiumlasersystem aufgebaut und qualifiziert. Nach erfolgter Integration in die QUANTUS-2 Kapsel, wurden über 200 Abwürfe und Katapultflüge am Fallturm absolviert. Diese demonstrieren die Robustheit des Experimentes unter Beschleunigungen von bis zu 43 g während eines Katapultfluges. Die Dynamik des Kondensates wurde in Schwerelosigkeit untersucht und die Ausbreitungsgeschwindigkeit in allen drei Raumrichtungen mit Hilfe einer magnetischen Linse verringert. Die dabei erreichten Ausbreitungsgeschwindigkeiten entsprechen effektiven Temperaturen von unter 120 pK eines thermischen Ensembles. Dieser stellt den niedrigsten in allen drei Raumrichtungen erreichten Wert dar. Die gezeigten Ergebnisse demonstrieren somit die Verfügbarkeit wichtiger Schlüsselkonzepte zukünftiger hochpräziser Quantensensoren auf Satelliten. / Atom interferometers offer the possibility to measure accelerations with unprecedented precision. Applications in fundamental research include gravitational wave detectors, the determination of physical constants, or tests of the weak equivalence principle. The sensitivity of an atom interferometer testing the weak equivalence principle scales quadratically with the time of free evolution of the atoms during the interferometer sequence. By using Bose-Einstein condensates with ultra-low expansion rates as test masses and operating the experiment in microgravity, one can enhance the sensitivity by orders of magnitude. QUANTUS-2 is the second generation mobile atom interferometer to be operated at the drop tower in Bremen and serves as a pathfinder for future cold atom experiments in space. It is envisaged to test the weak equivalence principle by a differential measurement of the acceleration of rubidium and potassium by means of atom interferometry. Within this thesis, the rubidium laser system was set up and qualified. It is based on micro-integrated laser modules and compact electronics. After integration into the QUANTUS-2 capsule, 200 drops and catapult flights were conducted at the drop tower. These are demonstrating the robustness of the complete experiment when being subjected to accelerations of up to 43 g during a catapult flight. The dynamics of the condensate were analyzed and the mean kinetic energy was reduced in all three dimensions by means of a magnetic lens. Expansion rates equivalent to a thermal ensemble having a temperature below 120 pK have been reached and represent the lowest value ever achieved in all three dimensions. The results prove the availability of relevant key concepts for future high-precision quantum sensors on a satellite platform.

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.