Ultra-low noise diode lasers for quantum applications

Schmalbandige Dauerstrichlaser sind für zahlreiche Quantenanwendungen, die ultra-kalte Teilchen nutzen, unverzichtbar. Spezifische Aufgaben wie das optische Einfangen oder die kohärente Manipulation von Qubits stellen besonders hohe Anforderungen an das Frequenzrauschen (englisch: frequency noise, FN) der Laser. Dabei ist es entscheidend, das Frequenzrauschen über einen breiten Bereich von Fourier-Frequenzen auf einem minimalen Niveau zu halten: Langsames Frequenzrauschen (DC bis 5 kHz) beeinflusst die Langzeitstabilität des Gesamtsystems, während schnelles Frequenzrauschen (größer als 5 kHz) die Kohärenzzeiten von Qubits und die Gate-Fidelitäten wesentlich begrenzt. Diodenlaser mit externem Resonator (englisch: external cavity diode laser, ECDL) sind aufgrund ihrer Vielseitigkeit und Robustheit das bevorzugte Werkzeug, da sie eine Vielzahl von Atomübergängen im sichtbaren und infraroten Spektralbereich adressieren können. Ihr Frequenzrauschen ist jedoch aufgrund der vergleichsweise kurzen Resonatorlänge typischerweise relativ hoch. Um die Leistung fortgeschrittener Quantenexperimente, wie optischer Uhren oder ionenbasierter Quantencomputer, weiter zu verbessern, müssen effiziente Methoden zur Reduktion des Frequenzrauschens bei ECDLs entwickelt werden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Reduktion des Frequenzrauschens von ECDLs, insbesondere für Anwendungen mit Calcium-Ionen, bei denen der entscheidende schmalbandige „Uhrenübergang“ mit Laserlicht bei 729 nm adressiert wird. Während aktive Rauschreduktionsmethoden in Frequenzbereichen bis zu einigen hundert Kilohertz effektiv sind, erzeugen sie durch ihre Regelschleifen häufig zusätzliches Rauschen im Megahertz-Bereich, was für die hier betrachteten Anwendungen kritisch ist. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Entwicklung passiver Rauschreduktionsmethoden, die geringes Frequenzrauschen bis in den Megahertz-Bereich ermöglichen. Um schmalbandiges Laserlicht passiv zu erzeugen, muss die Photonenlebensdauer im Lasersystem signifikant erhöht werden. Dies verringert den Einfluss der spontanen Emission und führt zu einer geringeren schnellen Lorentz’schen Linienbreite. Verschiedene technische Ansätze werden theoretisch untersucht, und die daraus abgeleiteten Optimierungsmöglichkeiten anschließend praktisch umgesetzt. Eine Methode umfasst die Hinzunahme eines zusätzlichen langen externen Resonators, während eine andere die Speicherung von Photonen in einer monolithischen Kavität nutzt, die Teil des Lasersystems ist. Es wird experimentell nachgewiesen, dass die theoretischen Konzepte erfolgreich umgesetzt werden können. Dabei werden Rauschreduktionen um bis zu vier Größenordnungen im Vergleich zu aktuellen ECDLs erreicht. Zur präzisen Charakterisierung der Systeme werden in dieser Arbeit verschiedene Methoden zur Untersuchung des Frequenzrauschens vorgestellt. Diese umfassen sowohl interferometrische Verfahren als auch Methoden, die auf der direkten Calcium-Ionenanregung basieren und das Frequenzrauschen unmittelbar im Experiment quantifizieren. Systematische Limitationen der jeweiligen Ansätze werden analysiert und die Verfahren miteinander verglichen. Zum Schluss werden die Ergebnisse zusammengeführt und kritisch bewertet. Abschließend hebt diese Arbeit die Bedeutung der Erforschung von Diodenlasern mit extrem niedrigem Rauschen für den Fortschritt der Quantentechnologie hervor und unterstreicht ihren tiefgreifenden Einfluss auf das Forschungsfeld.