Hannover, Universiẗat, Diss., 1998.

Hannover, Universiẗat, Diss., 1999.

Hannover, Universiẗat, Diss., 2003.

Universiẗat, Diss., 2004--München.

Universiẗat, Diss., 2000--Hamburg.

Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2008.

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.

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.

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.