A FPGA based laser DPLL for atom interferometry

Abstract

Atom interferometers have gained attention in both fundamental physics research and practical applications 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, allow for more precise measurements of accelerations by detecting the quantum mechanical phase of the 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 apparatuses and longer interferometry sequences. However, the requirements in terms of accuracy for the hardware that drives the laser systems remain but their size, weight and power budget need to be 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) was developed and evaluated for the usage in an atom interferometer with Raman double diffraction within 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 digitally tunable Numeric Controlled Oscillator (NCO), implemented as the reference oscillator, enables tuning setpoints as high as the laser current range of the hardware. Additionally, the digital Phase Frequency Detector (PFD) of the DPLL can read phase errors between the reference and laser beat signals 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 well as with an electronic Voltage Controlled Oscillator (VCO). A characterization of the phaselock was 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 Hz and 1 MHz around the carrier was achieved. Highly optimized optical PLLs achieve phase noise suppression 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 far frequency jumps up to 2 GHz in approximately 420 µs. Ultimately, the DPLL was able to drive Rabi oscillations with 87Rb BECs and realize beam splitter and mirror pulses intended for Raman double diffraction with an efficiency of up to 97 % excited atoms. Afterwards, the adjusted light pulses were used for interferometry sequences, where an intentional tilt of the apparatus was measured through the population difference of the atomic states. 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 be accomplished within a few hours.

Atominterferometer haben sowohl in der physikalischen Grundlagenforschung als auch in praktischen Anwendungen dank ihrer hohen Genauigkeit Aufmerksamkeit erhalten. Ihre Verbesserung ist 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 thermischen Atomwolken, 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 benötigt wird. Der Aufbau eines Interferometers mit BEKs in einer Mikrogravitationsumgebung ermöglicht außerdem kleinere Apparate und längere Interferometriesequenzen. Die Anforderungen an die Genauigkeit 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 die Raman-Doppelbeugung. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen des MAIUS-B-Projekts eine FPGAbasierte digitale Phasenregelschleife (DPLL) für den Einsatz in einem Atominterferometer mit Raman-Doppelbeugung für eine Mikrogravitationsumgebung entwickelt und evaluiert. Für Weltraumanwendungen ist ein digitales System sehr vorteilhaft, da die Parameter der Schleife ohne Löten und mit Kommunikation aus der Ferne eingestellt werden können. Außerdem ermöglicht der digital abstimmbare numerisch gesteuerte Oszillator (NCO), der als Referenzoszillator in der DPLL implementiert ist, Frequenzsollwerte, die so hoch sind wie der Laserstrombereich der Hardware. Zusätzlich ermöglicht der digitale Phasen-Frequenzdetektor (PFD) der DPLL in Kombination mit der entwickelten Hardware Phasenfehler zwischen Referenz- und Lasertaktsignal bis zu 2 GHz auslesen, ohne Einsatz externer Frequenzteiler. Der Erfassungsbereich des Phasenlocks ist somit nur durch die verwendete Hardware begrenzt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die DPLL sowohl an mehreren Lasersystemen als auch mit einem elektronischen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) erfolgreich getestet. Eine Charakterisierung des Phasenlocks wurde durch Auswertung der durchgeführten Messungen an verschiedenen Lasersystemaufbauten erreicht. Es wurde eine Phasenrauschunterdrückung auf etwa −60 dBc/Hz für Frequenzen zwischen 100 Hz und 1 MHz um den Träger herum gemessen. Hochoptimierte optische PLLs erreichen eine Phasenrauschunterdrückung bis auf −120 dBc/Hz, steigern jedoch Größe, 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 etwa 420 µs zu realisieren. Schlussendlich konnte die DPLL Rabi-Oszillationen mit 87Rb BEKs treiben und Strahlteiler- und Spiegelpulse für die Raman-Doppelbeugung mit einer Effizienz von bis zu 97 % angeregter Atome realisieren. Anschließend wurden die angepassten Lichtpulse für Interferometrie-Sequenzen verwendet, bei denen eine absichtliche Verkippung der Apparatur über den Besetzungsunterschied der Atomzustände gemessen wurde. Insgesamt wurde für das einrichten der Regelschleife für verschiedene Lasersysteme eine Zeit von weniger als einem Tag benötigt und eine erfolgreiche Anpassung der DPLL-Parameter zur Erzielung eines phasengelockten Laser-Beat-Signals konnte innerhalb weniger Stunden erzielt werden.