Atom interferometers have gained attention in both fundamental physics research and practicalapplications thanks to their high accuracy. Improving them is a widespread area of research and generating highly phase stabilized light fields is crucial for enhancing their accuracy, pushing the requirements to their hardware beyond state-of-the-art. Bose-Einstein condensates (BECs) are particularly advantageous as a probe in e.g. a classical Mach-Zehnder setup, since they enhance the interferometer’s sensitivity due to their long possible observation times. These longer observation times, compared to thermal ensembles, allowfor more precise measurements of accelerations by detecting the quantum mechanical phase ofthe atomic ensembles after an interferometry sequence. The creation of a BEC is a complex process that requires coherent, frequency stabilized light of different wavelengths.Moving an AI which uses BECs into a microgravity environment allows for smaller apparatusesand longer interferometry sequences. However, the requirements in terms of accuracy for thehardware that drives the laser systems remain but their size, weight and power budget need tobe reduced for space-born apparatuses.One possible way to measure the quantum mechanical phase of an interferometer output is Raman double diffraction. For this purpose, a FPGA based digital phase locked loop (DPLL) wasdeveloped and evaluated for the usage in an atom interferometer with Raman double diffractionwithin the sounding rocket missions of MAIUS-B.For space applications a digital system is very favorable since parameters of the loop can be adjusted without soldering and with communication from a distance. Furthermore, the digitallytunable Numeric Controlled Oscillator (NCO), implemented as the reference oscillator, enablestuning setpoints as high as the laser current range of the hardware. Additionally, the digital PhaseFrequency Detector (PFD) of the DPLL can read phase errors between the reference and laser beatsignals up to 2 GHz in combination with the developed hardware without external frequency dividers. Hence, the capture range of the phaselock is only limited by the hardware.In the course of this thesis, the DPLL was successfully tested on multiple laser systems as wellas with an electronic Voltage Controlled Oscillator (VCO). A characterization of the phaselockwas achieved through evaluation of the conducted measurements at different laser system setups. A phase noise suppression to approximately −60 dBc/Hz for frequencies between 100 Hzand 1 MHz around the carrier was achieved. Highly optimized optical PLLs achieve phase noisesuppression to −120 dBc/Hz at the expense of size, cost and complexity compared to the DPLL.Jumping between frequency setpoints with ECDLs showed that the DPLL was able to realize farfrequency jumps up to 2 GHz in approximately 420 µs.Ultimately, the DPLL was able to drive Rabi oscillations with 87Rb BECs and realize beam splitterand mirror pulses intended for Raman double diffraction with an efficiency of up to 97 % excitedatoms. Afterwards, the adjusted light pulses were used for interferometry sequences, where anintentional tilt of the apparatus was measured through the population difference of the atomicstates.Overall, a hardware setup time within one day was achieved for different laser systems and a successful adjustment of the DPLL’s parameters to achieve a phaselocked laser beat signal could beaccomplished within a few hours.
Atominterferometer haben sowohl in der physikalischen Grundlagenforschung als auch in praktischen Anwendungen dank ihrer hohen Genauigkeit Aufmerksamkeit erhalten. Ihre Verbesserungist ein weit verbreitetes Forschungsgebiet und die Erzeugung phasenstabiler Lichtfelder ist entscheidend für die Erhöhung ihrer Genauigkeit. Die Anforderungen, um besagte Lichtfelder erzeugen zu können, fordern die Hardware über den Stand der Technik hinaus.Bose-Einstein-Kondensate (BEKs) sind aufgrund ihrer langen Verweildauer im Interferometer besonders vorteilhaft, da diese die Empfindlichkeit des Interferometers, beispielsweise im klassischen Mach-Zehnder-Aufbau, erhöhen. Die längere Verweildauer, verglichen mit thermischenAtomwolken, ermöglicht präziesere Messungen von Beschleunigungen durch Messung der quantenmechanischen Phase am Interferometerausgang. Die Erzeugung solcher BEKs ist ein komplexer Prozess für den frequenzstabilisiertes, kohärentes Licht verschiedener Wellenlängen benötigtwird. Der Aufbau eines Interferometers mit BEKs in einer Mikrogravitationsumgebung ermöglichtaußerdem kleinere Apparate und längere Interferometriesequenzen. Die Anforderungen an dieGenauigkeit der Hardware, die die Lasersysteme antreibt, bleiben jedoch bestehen, aber ihre Größe, ihr Gewicht und ihr Energiebudget müssen für weltraumtaugliche Geräte reduziert werden.Eine Möglichkeit die quantenmechanische Phase eines Interferometerausgangs zu messen, ist dieRaman-Doppelbeugung. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen des MAIUS-B-Projekts eine FPGAbasierte digitale Phasenregelschleife (DPLL) für den Einsatz in einem Atominterferometer mitRaman-Doppelbeugung für eine Mikrogravitationsumgebung entwickelt und evaluiert.Für Weltraumanwendungen ist ein digitales System sehr vorteilhaft, da die Parameter der Schleifeohne Löten und mit Kommunikation aus der Ferne eingestellt werden können. Außerdem ermöglicht der digital abstimmbare numerisch gesteuerte Oszillator (NCO), der als Referenzoszillator inder DPLL implementiert ist, Frequenzsollwerte, die so hoch sind wie der Laserstrombereich derHardware. Zusätzlich ermöglicht der digitale Phasen-Frequenzdetektor (PFD) der DPLL in Kombination mit der entwickelten Hardware Phasenfehler zwischen Referenz- und Lasertaktsignal biszu 2 GHz auslesen, ohne Einsatz externer Frequenzteiler. Der Erfassungsbereich des Phasenlocksist somit nur durch die verwendete Hardware begrenzt.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die DPLL sowohl an mehreren Lasersystemen als auch mit einemelektronischen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erfolgreich getestet. Eine Charakterisierung des Phasenlocks wurde durch Auswertung der durchgeführten Messungen an verschiedenenLasersystemaufbauten erreicht. Es wurde eine Phasenrauschunterdrückung auf etwa −60 dBc/Hzfür Frequenzen zwischen 100 Hz und 1 MHz um den Träger herum gemessen. Hochoptimierteoptische PLLs erreichen eine Phasenrauschunterdrückung bis auf −120 dBc/Hz, steigern jedochGröße, Kosten und Komplexität im Vergleich zur DPLL. Das Springen zwischen Frequenzsollwerten mit ECDLs zeigte, dass die DPLL in der Lage war, weite Frequenzsprünge bis zu 2 GHz in etwa420 µs zu realisieren.Schlussendlich konnte die DPLL Rabi-Oszillationen mit 87Rb BEKs treiben und Strahlteiler- undSpiegelpulse für die Raman-Doppelbeugung mit einer Effizienz von bis zu 97 % angeregter Atomerealisieren. Anschließend wurden die angepassten Lichtpulse für Interferometrie-Sequenzen verwendet, bei denen eine absichtliche Verkippung der Apparatur über den Besetzungsunterschiedder Atomzustände gemessen wurde.Insgesamt wurde für das einrichten der Regelschleife für verschiedene Lasersysteme eine Zeit vonweniger als einem Tag benötigt und eine erfolgreiche Anpassung der DPLL-Parameter zur Erzielung eines phasengelockten Laser-Beat-Signals konnte innerhalb weniger Stunden erzielt werden.