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Entwicklung und Anwendung eines Frequenzkamm-basierten Lasersystems für die Präzisions-Spektroskopie an ultrakalten Molekülen und Atomen

Ernsting, Ingo - Universität Düsseldorf (2010)


Die Erfindung des Femtosekunden-Laser basierten optischen Frequenzkamms durch T.W. Hänsch im Jahre 1999, welche eine genaue Messung optischer Frequenzen über weite spektrale Bereiche in einfacher Weise ermöglicht, hat das Gebiet der Metrologie und Präzisions-Spektroskopie revolutioniert. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau eines Frequenzkamm-basierten Lasersystems für die Präzisions-Spektroskopie an ultrakalten Molekülen und Atomen an dem Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf.

Die präzisionsspektroskopische Ausrichtung zielt hierbei auf die experimentelle Vermessung des fundamentalen Verhältnisses von Elektronenmasse zu Protonenmasse, dessen bessere Kenntnis u.a. zu einer genaueren Bestimmung der Feinstrukturkonstante α beitragen kann. Einen neuartigen experimentellen Zugang hierfür bietet die rovibronische Spektroskopie der molekulare Wasserstoffionen, speziell des HD+ Ions. Die Molekülionen werden hierfür in einer linearen Paulfalle gespeichert und zur notwendigen Minimierung der Dopplerverbreiterung, mithilfe der sympathetischen Kühlung durch lasergekühlte Berylliumionen bis auf eine translatorische Temperatur von ca. 50 mK gekühlt. Das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Spektroskopie-Lasersystem basiert auf der Weiterentwicklung eines frühen Prototyps des Frequenzkamms FC 8004 der Firma Menlo Systems. Sein infraroter Emissionsbereich wurde zur Erfassung der rovibronischen Übergänge auf mehr als 1500 nm ausgedehnt. Weiterhin ist die Langzeitstabilität des Frequenzkamms durch die Implementierung zusätzlicher Regelschleifen zur Dispersions- und Repetitionsraten-Kontrolle optimiert worden. Zur Abtastung der rovibronischen Übergänge wurden zwei neuartige GEECDL (grating enhanced external cavity diode laser) Spektroskopielaser aufgebaut, welche die weite Durchstimmbarkeit (> 50 nm) eines Littman- oder Littrow-Lasers mit der geringen Linienbreite (< 30 kHz) und hohen Kurzzeitstabilität eines Hollberg-Lasers kombinieren. Für die Erfassung der Schwebungssignale zur Frequenzmessung und/oder Frequenz- bzw. Phasenstabilisierung der Laser relativ zu dem Frequenzkamm, wurden schnelle Trackingoszillatoren zur aktiven Frequenzfilterung, Frequenz/-Phasendetektoren und Regelfilter entwickelt. Der rovibronische HD+ (v' = 4, N' = 3) <- (v = 0, N = 2) Übergang aus dem elektronischem HD+ Grundzustand X2+, wurde hiermit mit einer Genauigkeit von 2,3 ppb bestimmt, was eine 165-fache Verbesserung in der Genauigkeit gegenüber früheren Messungen darstellt. Die erreichbare Messgenauigkeit des Frequenzkamms ist grundsätzlich durch die Instabilität der verwendeten Frequenzreferenz (GPS-referenzierter H-Maser) limitiert. Optische Atomuhren mit einer um zwei Größenordnungen reduzierten Instabilität gegenüber Mikrowellen-basierten Cäsium-Atomuhren versprechen daher einen entscheidenen Fortschritt in der Metrologie, bei der Messung fundamentaler Konstanten bzw. deren möglicher Zeitabhängigkeit und in der Verifikation relativistischer Aussagen. Am Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf befindet sich daher eine optische Ytterbium Atomuhr im Aufbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierfür die absolute optische Frequenz eines frequenzverdoppelten, auf einen Referenzresonator hoher Güte, frequenzstabilisierten QD-ECDL (Quantum Dot External Cavity Laser), bei der Beprobung des 171Yb: 3P0 -> 1S0 Überganges mit dem Frequenzkamm gemessen, sowie das Stabilitätsverhalten des frequenzstabilisierten QD-ECDL "Uhrenlasers" ermittelt. Die Eignung des Frequenzkamms als Frequenzuntersetzer vom optischen Spektralbereich zur Mikrowellenregion wird durch eine Stabilisierung des Frequenzkamms auf einen kryogenen optischen Saphir Resonator, zur Reduzierung der Linienbreite demonstriert. Weiterhin wurde dessen thermischer Ausdehnungskoeffizienten α, das Stabilitätsverhalten und die Langzeit-Frequenzdrift ermittelt. Für den stabilen Transport von Laserstrahlung aus dem Metrologie-Labor in entfernte Labore, wurde eine Faserstabilisierung aufgebaut. Die Methode zur Erzeugung einer virtuellen Schwebungsfrequenz zwischen Lasern mit einem Frequenzabstand von mehreren 100 THz wurde anhand eines frequenzverdoppelten Nd:YAG Lasers mit dem Frequenzkamm umgesetzt.


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