Optical frequency references based on hyperfine transitions in molecular iodine

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