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Ein robuster transportabler ultrastabiler Laser für industrielle Anwendungen

08.01.2015

In einen gemeinsamen Projekt des Europäischen Metrologie Programmes EMRP zwischen dem britischen metrologischen Staatsinstitut NPL, dem italienischen Staatsinstitut INRIM und der PTB wurde ein kompakter robuster resonatorstabilisierter Laser entwickelt, der auch in einem industriellen Umfeld eingesetzt werden kann. Der Abstandshalter des Resonators basiert auf einem Würfel mit 5 cm Kantenlänge aus Glas (ULE) mit sehr geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Bild 1). Das spezielle am NPL entwickelte Design des Resonators erlaubt das kontrollierte Halten des Würfels an vier Ecken, ohne dabei den Abstand zwischen den Spiegeln zu ändern [1].

Um das Rauschen aufgrund thermischer Fluktuationen möglichst gering zu halten, wurden hochreflektierende dielektrische Spiegel auf Quarzglassubstraten an zwei Flächen optisch kontaktiert. An den Spiegelrückseiten sind Ringe aus ULE kontaktiert, die den Einfluss unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten von Spiegelsubstrat und Abstandshalter ausgleichen [2].

An der PTB wurde die robuste, kompakte Halterung, die Temperaturstabilisierung mit Milikelvin Stabilität und das Vakuumsystem entwickelt. Da Temperaturänderungen über den thermische Ausdehnungskoeffizienten zu einer großen Frequenzinstabilität führen, wurde eine zweistufige Temperaturstabilisierung entwickelt, die es erlaubt, den Resonator bei der Temperatur zu betreiben, an der der thermische Ausdehnungskoeffizient minimal ist (Bild 2). Die entwickelte Aluminium-Vakuumkammer kann mit einer sehr kleinen Ionengetterpumpe auf einen Druck unter 10-6 mbar evakuiert werden (Bild 3).

Ein fasergekoppelter Diodenlaser bei einer Wellenlänge von 1.54 µm wurde auf eine geeignete Eigenfrequenz des Resonators stabilisiert. Die relative Frequenzinstabilität lag dabei für Mittelungszeiten zwischen 0.3 s und 30 s unter 5×10-15.

Optischer Resonator mit temperaturkompensierten, optisch kontaktierten Spiegeln. Die Bohrungen senkrecht zur optischen Achse dienen zur Evakuierung des Raums zwischen den Spiegeln.

Fotografie der Halterung des Würfels und des inneren, passiven, und des äußeren, aktiv geregelten Wärmeschildes.

Fotografie der Vakuumkammer mit oben angebrachter Ionengetterpumpe und Ventil mit Wellschlauch zum erstmaligen Evakuieren.


Literatur:

[1]        S. Webster, P. Gill, Force-insensitive optical cavity, Opt. Lett. 36, 3572-3574 (2011)

[2]        T. Legero, T. Kessler, U. Sterr, Tuning the thermal expansion properties of optical reference cavities with fused silica mirrors, J. Opt. Soc. Am. B 27, 914-919 (2010)