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Vereinfachte Messung optischer Frequenzen

Laser, deren Frequenzen auf Übergänge in Atomen oder Ionen stabilisiert sind, werden zukünftig wohl zu Atomuhren mit bisher unerreichter Genauigkeit führen. In der PTB wurde ein optisches Messsystem entwickelt, mit dem eine beliebige optische Frequenz auf die Frequenz des Primärnormals für Zeit und Frequenz, die Caesium-Atomuhr, zurückgeführt werden kann.

Die Strahlung des Femtosekundenkammgenerators der PTB nach spektraler Zerlegung durch ein optisches Gitter zeigt einen Regenbogen, der große Teile des nahen infraroten und sichtbaren Teils des optischen Spektrums überdeckt. Das Spektrum, das im Bild kontinuierlich erscheint, besteht aus einer großen Zahl dicht benachbarter Spektrallinien mit genau bekannten Frequenzen.

Das neuartige Schema zur phasenkohärenten Messung der Frequenz eines optischen Frequenznormals basiert auf einem Femtosekunden-Titan:Saphir-Laser. Der Einsatz eines solchen einzelnen Oszillators führt zu einer wesentlichen Vereinfachung gegenüber den bisher in der PTB und anderswo eingesetzten komplexen Frequenzketten, die die Frequenzvervielfachung mit vielen Zwischenoszillatoren benutzen (s. PTBnews 96.1). Im Frequenzbereich entspricht die Impulsfolge eines Femtosekundenlasers einem Kamm von einzelnen Frequenzen, deren Abstand gerade der Impulsfolgefrequenz entspricht. Der Kamm, dessen spektrale Breite durch die reziproke Dauer eines einzelnen Impulses gegeben ist, wird in einer neuartigen optischen Mikrostrukturfaser spektral verbreitert und überdeckt nahezu den gesamten sichtbaren und nahen infraroten Bereich des optischen Spektrums. Die Frequenz einer beliebigen Linie des Kamms kann bestimmt werden durch eine Messung des Linienabstands, d.h. der Repetitionsrate der Impulse, und eine Frequenzmessung, die die Verschiebung des gesamten Kamms gegenüber dem Ursprung der Frequenzachse angibt.

Als erste Anwendung wurde die Frequenz des calciumstabilisierten Lasers neu bestimmt, der für eine der genauesten Realisierungen des Meters benutzt wird. Das Ergebnis stimmte mit früheren Messungen überein. Damit kann die PTB jetzt ein dichtes Raster von Millionen genauestens bekannter optischer Referenzfrequenzen herstellen, die sich über den gesamten sichtbaren und nahen infraroten Teil des Spektrums erstrecken.

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