Metrology laser with high optical power and novel stabilization scheme

Auf dem Gebiet der hochpräzisen und rückführbaren Längenmessungen haben sich verschiedene laser-interferometrische Verfahren etabliert. Während sich Laserlicht bei Messungen im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, wird diese Geschwindigkeit unter atmosphärischen Bedingungen um etwa 90 km/s (relativ ca. 3 ⋅ 10^-4) reduziert. Die erreichbare Messunsicherheit einer Längenmessung in Luft hängt darüber hinaus davon ab, wie genau die Umweltbedingungen Temperatur, Druck und Feuchte bekannt sind. Diese Parameter unterliegen sowohl zeitlichen als auch räumlichen Änderungen und verändern die Ausbreitungsgeschwindigkeit typischerweise um etwa 0,9 km/s (relativ ca. 3 ⋅ 10^-6). Der daraus resultierende Beitrag zur Messunsicherheit der Längenmessung kann durch die Anwendung von mindestens zwei Wellenlängen in einem Interferometer in Echtzeit bestimmt und kompensiert werden.

Zur Umsetzung eines entsprechenden heterodynen Messverfahrens werden zwei Nd:YAG-Festkörperlaser eingesetzt, die jeweils sowohl infrarotes Licht bei 1064 nm (1 W) als auch das frequenzverdoppelte grüne Licht bei 532 nm (20 mW) emittieren und deren Frequenz mittels akusto-optischer Modulatoren zueinander verstimmt wird (maximale Differenzfrequenzen: 30 GHz (1064 nm), 60 GHz (532 nm). Bei Längenmessungen im freien Feld konnte bereits über 864 m eine Standardabweichung von 50 µm (relativ 5,8 ⋅ 10^-8) nachgewiesen werden. Allerdings war bislang eine Störung des Nutzsignals vorhanden, deren Entstehung auf die verwendete Hochfrequenzschaltung zurückgeführt werden konnte.

Im EMPIR Forschungsprojekt GeoMetre wird daher eine neuartige Stabilisierung der Laserlichtquellen auf Kammlinien eines optischen Frequenzkamms angestrebt, somit ist keine Hochfrequenz-Elektronik mehr erforderlich. Damit kann eine geringere Beeinträchtigung durch Störfrequenzen gewährleistet werden.



Abb. 1: Messergebnis des 62,5 MHz-Schwebungssignals des auf eine Frequenzkammlinie gelockten Nd:YAG-Lasers. Die Daten wurden mit Hilfe eines Spektrum Analysators (Modell: Hameg HMS1000E) bei einer Videobandbreite von VBW = 10 kHz und einer Auflösebandbreite von RBW = 1 MHz aufgenommen.