Dokument: Development and Operation of High-Precision Laser Systems for the Search for Ultra-Light Dark Matter and Spectroscopy of Molecular Hydrogen Ions

Titel:	Development and Operation of High-Precision Laser Systems for the Search for Ultra-Light Dark Matter and Spectroscopy of Molecular Hydrogen Ions
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=71618
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20251208-091132-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Vogt, Victor Alexander [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 132,25 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 04.12.2025 / geändert 04.12.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Schiller, Stephan [Gutachter] Prof. Dr. Ulmer, Stefan [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Zwei Messkampagnen zur Suche nach ultraleichter Dunkler Materie mittels optischer Spektroskopie in Jod und Acetylen erforderten die Entwicklung ultrastabiler Lasersysteme. Diese wurden so konzipiert, dass sie eine spektrale Frequenzrauschdichte von 10^−13 Hz^−1/2 bis 10^−12 Hz^−1/2 im Bereich von 10 Hz bis 100 kHz sowie langfristige Frequenzstabilität bieten, um Drift relativ zu den Übergangslinienbreiten über mehrere Tage zu minimieren. So konnten potenzielle oszillatorische Schwankungen von Fundamentalkonstanten durch ein skalares Dunkle-Materie-Feld untersucht werden. Die Laser kamen in zwei Detektoren zum Einsatz, die Obergrenzen für die Kopplungsstärke von Dunkler Materie mit Massen zwischen 4x10^−14 eV bis 4x10^−10 eV lieferte. Zudem wurden Lasersysteme für die hochauflösende Spektroskopie von Rovibrationsübergängen in HD+ und H2+ entwickelt, in Paul- und Penning-Fallen, Letztere in Kooperation mit der HHU Düsseldorf und dem MPIK Heidelberg. Ein transportables Metrologiesystem mit Wasserstoffmaser, Frequenzkamm, Referenzlaser und phasenstabilisierten Transferlaser wurde aufgebaut, weitgehend fasergekoppelt und mit zwei Faserrauschunterdrückungen für die Wege zur Penningfalle ALPHATRAP ausgestattet. Das System bietet optische Linienbreiten im Bereich von unter 10 Hz, bei Trägerfrequenzen von 260 THz, Frequenzstabilitäten im Bereich unter 10^−14 und, dank des Vergleichs über Satellit mit dem internationalen Standard an der PTB Braunschweig, eine Frequenzunsicherheit im Bereich unter 10^−14. Es ermöglichte zudem die Erzeugung von Strahlung im mittleren Infrarotbereich per Differenzfrequenzgenerierung und bot Fernsteuerung und automatische Re-Lock-Prozesse. Das System wurde erfolgreich über 300 km nach Heidelberg transportiert. Erstmals wurde ein On/Off-Signal an einem Rovibrationsübergang in einem einzelnen Mölekülion, HD+, gemessen, das auf einen optischen Übergang hinweist. Zusätzlich wurden Untersuchungen zu Resonatoren durchgeführt. Der erste Faserringresonator wurde entwickelt und charakterisiert, der bei Temperaturen, die mit herkömmlichen thermoelektrischen Kühlern (TZCTE ≈−30 °C) erreicht werden können, einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null aufweist. Außerdem wurden optische Resonatoren untersucht, die als Modenreiniger optimiert sind für niedrige Fourier-Frequenzen und potenziell in der Dunkle-Materie-Detektion mit Frequenzrauschen unter 10^−15 Hz^−1/2 eingesetzt werden können. Parallel dazu wurden Strategien zur Unterdrückung der Restamplitudenmodulation untersucht, die zu Beiträgen unter 10^−17 der relativen Frequenzinstabilität führten. Schließlich wurde in einer NEXCERA-basierten optischen Referenz die niedrigste jemals gemessene Alterungsdrift eines Raumtemperaturresonators auf einem Niveau von 2x10^−18 s^−1 beobachtet. Two measurement campaigns aimed at searching for ultra-light dark matter via vibrational spectroscopy in iodine and acetylene required the development of ultra-stable laser systems. These systems were designed to achieve a spectral frequency noise density at the level of (10^−13 − 10^−12) Hz^−1/2 across Fourier frequencies ranging from 10 Hz to 100 kHz. Long-term frequency stability was also targeted to ensure minimal drift relative to transition linewidths over several days, enabling the potential detection of oscillatory variations in fundamental constants induced by a scalar dark matter field at the given resolution. The lasers were built and employed in the respective dark matter detectors, which yielded upper limits for the coupling strength for dark matter of masses in the range of 4x10^−14 eV to 4x10^−10 eV with respect to specific fundamental constants. In addition, ultra-stable laser systems were developed for high-resolution optical spectroscopy of rovibrational transitions in the molecular hydrogen ions HD+ and H2+ , in both a Paul trap and a Penning trap, the latter in collaboration with HHU Düsseldorf and the MPIK Heidelberg. A transportable metrology system with hydrogen maser, frequency comb, reference laser, and phase-stabilized transfer laser was set up, largely fiber-coupled, and equipped with two fiber noise cancellations for the paths to the Penning trap ALPHATRAP. The system offers optical line widths of less than 10 Hz, at carrier frequencies of 260 THz, frequency stabilities in the range of less than 10^−14 and, thanks to comparison via satellite with the international standard at the PTB Braunschweig, a frequency uncertainty in the range of less than 10^−14. It also enabled the generation of radiation in the mid-infrared range via difference frequency generation as well as remote control and automatic re-lock processes. The system was successfully transported over 300 km from Düsseldorf to Heidelberg. This thesis presents the first on/off signal measurement on a rovibrational transition in a single molecular ion, HD+, indicative of an optical molecular transition. Additionally research on resonators was conducted. The first fiber ring resonator incorporating a design with a zero coefficient of thermal expansion at temperatures achievable using conventional thermoelectric coolers (TZCTE ≈−30 °C) was developed and characterized. Research was alsoconducted on optical resonators serving as mode cleaners optimized for low Fourier frequencies, with potential application in dark matter detection reaching below 10^−15 Hz^−1/2 in frequency noise. In parallel, strategies for suppressing residual amplitude modulation were investigated, reaching contributions below the level of 10^−17 in fractional frequency instability. Finally, the lowest ever recorded aging drift of a room-temperature graded resonator was observed in a NEXCERA-based optical reference at the level of 2x10^−18 s^−1.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik
Dokument erstellt am:	08.12.2025
Dateien geändert am:	08.12.2025
Promotionsantrag am:	25.06.2025
Datum der Promotion:	25.11.2025