Ein wichtiges und momentan sich rasant entwickelndes Forschungsgebiet ist die optische Frequenzmessung und, damit verbunden, die Weiterentwicklung der Atomuhren und der optischen Frequenznormale. Sowohl die Verbindung des optischen Bereichs mit dem Mikrowellenbereich zwecks Realisierung der Längeneinheit als auch der Betrieb einer optischen Uhr erfordern eine Art "Frequenzgetriebe" zur kohärenten, rauscharmen Überbrückung großer Frequenzverhältnisse.
Zu diesem Zweck wurde ein optischer Frequenzkammgenerator gebaut, der auf einem Kerrlinsen-modengekoppelten Femtosekundenlaser beruht. Dieses Lasersystem ist in der Lage, periodisch Lichtimpulse einer Dauer unter 10 fs zu liefern. Wie in Bild 1 dargestellt, ist das Besondere dieses Lasers das spezielle Frequenzspektrum, das aus einer Vielzahl äquidistanter Moden besteht, die, bildlich gesprochen, den Millimeterstrichen auf einem Zollstock entsprechen. Das gesamte Kammspektrum ist durch nur zwei Frequenzwerte vollständig bestimmt, die einfach gemessen werden können: den Modenabstand f rep und eine Offsetfrequenz f ceo , die die absolute Position des Kammes bezüglich des Frequenz-Nullpunktes angibt. Man erhält die unbekannte Absolutfrequenz eines zu messenden Lasers durch Messung der Schwebungsfrequenz mit einer bestimmten Mode, wenn man noch die Modenordnungszahl m ermittelt (z. B. mit einem "Wavemeter"). Die phasenkohärente Frequenzmessung besteht also daraus, dass man die optische Frequenz auf drei Radiofrequenzen (f rep , f ceo , Schwebung) und einen Multiplikator (m) zurückführt.
Bild 1: Der Frequenzspektrum eines streng periodischen Pulszuges von einem Femtosekundenlaser ist kammförmig. Während die Gesamtbreite des Spektrums proportional zum Kehrwert der Pulsdauer ist, gibt die Pulswiederholrate den Abstand je zweier benachbarter Moden an.
Das nutzbare Spektrum kann durch Selbstphasenmodulation in einer dispersionsmodifizierten, mikrostrukturierten Faser erheblich verbreitert werden, ohne die Kohärenz des Kammes zu zerstören. Je nach Leistung, Impulslänge und Faserlänge lässt sich das Spektrum kurzwellig bis etwa 450 nm und langwellig bis über 1200 nm verbreitern, wie im Bild für den sichbaren Teil des Spektrums gezeigt ist. Ist das Spektrum breiter als eine Oktave, dann lässt sich f ceo bestimmen.
Mit diesem System wurden das Calcium Frequenznormal der PTB [ 1] als auch das Ytterbium-Ionen Frequenznormal [ 2] phasenkohärent mit der Atomuhr verbunden, und es konnte die Ytterbium-Übergangsfrequenz mit einer relativen Gesamtunsicherheit von < 1·10 -14 bestimmt werden, wobei das Messverfahren selbst noch kleinere Unsicherheiten ermöglicht.
Bild 2: Der sichtbare Teil des Spektrums vom Frequenzkammgenerator nach Verbreiterung in einer Mikrostrukturfaser. Das Spektrum erscheint kontinuierlich, besteht aber aus über einer Million einzelnen Moden mit exakt gleichem Abstand (100 MHz). In den dunkleren Bereichen ist das Licht ca 100 mal schwächer als in den hellen. Dies hängt mit den komplizierten Prozessen der spektralen Verbreiterung in der Faser zusammen, stellt aber keine Einschränkung für Frequenzmessungen dar.
Veröffentlichungen
[1] J. Stenger, T. Binnewies, G. Wilpers, F. Riehle, H. R. Telle, J. K. Ranka, R. S. Windeler, A. J. Stentz; Phys. Rev. A 63 (2001) 021802(R).
[2] J. Stenger, Ch. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H. R. Telle; Optics Lett., 26 (2001) 1589
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