30.01.2010
Für die Realisierung transportabler optischer Uhren und die Weitergabe optischer Frequenzen über kommerzielle Glasfasernetze werden künftig transportable Lasersysteme mit einer relativen Frequenzinstabilität σy(1s) kleiner 10-15 benötigt. Die Laser beziehen ihre Stabilität aus optischen Fabry-Perot-Resonatoren, die zur Minimierung thermischer Längenänderungen aus Ultra-Low-Expansion-Glas (ULE) aufgebaut sind. ULE-Glas zeichnet sich durch einen Nulldurchgang des thermischen Längenausdehungskoeffizienten (CTE) im Bereich um 20°C aus. Derzeit ist die Frequenzinstabilität der besten Laser durch das thermische Rauschen der verwendeten Fabry-Perot-Resonatoren auf etwa 10-15 begrenzt. Dieses Rauschen ist vergleichbar zur Brownschen Molekularbewegung und lässt sich durch Wechsel des Spiegelsubstrates von ULE-Glas zu einem Material mit höherer mechanischer Güte wie z.B. Quarzglas reduzieren. Da Quarzglas bei 20°C einen CTE von 5,2 . 10-7/K aufweist, führt eine Änderung der Temperatur zu einer Deformation der Spiegel und somit zu einer effektiven Längenänderung des Resonators. Finite-Elemente-Simulationen und Messungen zeigen, dass der Nulldurchgang des CTE des gesamten Resonators um bis zu 30 K zu niedrigeren Temperaturen hin verschoben wird. Die erforderliche Temperaturstabilisierung des Resonators bei Temperaturen deutlich unter 0°C verursacht höheren technischen Aufwand und steht der Forderung nach Transportabilität des Lasersystems entgegen.
Im Fachbereich 4.3 wurde eine Lösung dieses Problems gefunden und zum Patent angemeldet [1]. Der Deformation der Spiegelsubstrate wird durch einen zusätzlichen Ring aus ULE–Glas auf der Rückseite eines jeden Quarzglas-Spiegels entgegengewirkt. Finite-Elemente-Simulationen zeigen, dass die effektive Längenänderung des Resonators und somit die Verschiebung seiner Nulldurchgangstemperatur nahezu kompensiert werden kann. Dieser Kompensationseffekt wurde durch Messungen bestätigt. Damit wird der Aufbau von ULE-Resonatoren mit Quarzglas-Spiegeln möglich, die ein verringertes thermisches Rauschen aufweisen und dennoch bei Raumtemperatur zu betreiben sind.
Ergebnisse von Finite-Elemente-Simulationen (mit dem Programm ANSYS) der thermischen Deformation eines Quarzglas-Spiegels auf einem ULE-Abstandshalter bei einer Temperaturerhöhung von 1 K. Gezeigt ist jeweils ein Schnitt durch den halben Resonator. Die Aufbiegung des Quarzglas-Spiegels (a) führt zu einer unerwünschten effektiven Längenänderung des Resonators in z-Richtung. Der zusätzliche Ring aus ULE-Glas auf der Rückseite des Quarzglas-Spiegels (b) wirkt der Aufbiegung des Spiegels entgegen und reduziert deutlich die effektive Längenänderung. Farbkodiert ist die Deformation in Richtung der Resonatorachse (z-Richtung).
Foto eines Resonators bestehend aus einem ULE-Abstandshalter mit Quarzglas-Spiegel und zusätzlichem ULE-Ring. Messungen des effektiven Längenausdehnungskoeffizienten des Resonators bestätigen den Kompensationseffekt der ULE-Ringe.
Literatur:
[1] Patent DE 10 2008 049 367 B3, Spiegelbauteil für einen optischen Resonator, T. Legero und U. Sterr, 2008