Spektroskopische Rückführung von optischen Frequenzänderungen in der Absolutinterferometrie

Die optische Phasenlage eines interferometrischen Signals hängt zum einen von der optischen Weglängendifferenz, aber auch von der verwendeten optischen Frequenz ab. Wird letztere variiert, z.B. unter Verwendung eines durchstimmbaren Diodenlasers, so kann aus der beobachteten korrelierten Variation der Phase die Weglängendifferenz ermittelt werden. Der Eindeutigkeitsbereich der Messung wird in diesem Verfahren alleine durch die Kohärenzlänge der benutzten Linie des Lasers bestimmt. Die Länge kann damit absolut bestimmt werden. Dieses Messprinzip wird hauptsächlich in der sogenannten „Absolutinterferometrie“ für Messungen von Dimensionen im Zentimeter- bis Meterbereich verwendet. Die Genauigkeit der Längenmessung hängt dabei insbesondere von der erreichbaren Genauigkeit der Messung der mit der Durchstimmung des Lasers verbundenen Frequenzänderung ab. Bisher eingesetzte konventionelle Verfahren basieren auf der Verwendung verkörperter Frequenzstandards wie Fabry-Perot Interferometern oder Referenzinterferometern mit kalibrierter optischer Weglängendifferenz. Allerdings erreichen diese Methoden mangels Stabilität außerhalb metrologischer Laboratorien über einen längeren Zeitraum nicht die gewünschte Genauigkeit.
Im Rahmen eines von der DFG geförderten Forschungsprojekts wird in der PTB die Messung der Frequenzänderung mittels spektroskopischer Verfahren für ihre Eignung für absolutinterferometrische Messungen untersucht. Dabei soll parallel zur interferometrischen Messung die rückführbar charakterisierte Hyperfeinstruktur (HFS) des Jodmoleküls spektroskopiert werden. Aus der Lage der HFSÜbergänge werden dann Frequenzmarker generiert, aus denen die entsprechenden Frequenzänderungen ermittelt werden. Die mit der Durchstimmung des Lasers erzeugten Phasenänderungen des Interferometersignales sind mit diesen Frequenzänderungen linear verknüpft und die Information über die Weglängendifferenz und damit über den Abstand ist in der Steigung enthalten. Die besondere Herausforderung dieses Verfahrens ist die in-situ Messung, die erfordert, dass zur Auflösung eines bestimmten HFS-Übergangs („Lamb-Dip“), nur eine Zeit kleiner als ca. 10 µs bleibt. Dies ist mit klassischen Modulationsmethoden der dopplerfreien Laserspektroskopie schwer erreichbar.
Im Rahmen dieses Projekts ist es gelungen, diese Frequenzmarken in dem Wellenlängenbereich bei 637 nm durch sorgfältige Optimierungen des optischen Aufbaus aus dem dopplerverbreiterten Untergrund auch bei sehr kurzen Messzeiten ohne Hochfrequenzmodulation messen zu können. In Bild 1 lassen sich z.B. 21 Rotations-Schwingungsübergänge in ihrem dopplerverbreiterten Untergrund eindeutig identifizieren. Außerdem wurde ein numerisches Auswerteverfahren entwickelt, welches aus den Absorptionsdaten die Bestimmung des Übergangsmaximums, also der Frequenzmarke, mit geringer Unsicherheit erlaubt.
In weiteren Arbeiten wird dieses Verfahren nun auf Geschwindigkeit optimiert und mit der interferometrischen Längenmessung gekoppelt, um eine robuste, rückführbare interferometrische Distanzmessung mit relativen Unsicherheiten besser als 10^-6 bei Messlängen von bis zu 100 m zu erreichen.

Bild 1: Das kleine Diagramm zeigt das (dopplerverbreitete) Absorptionssignal der Jodmoleküle über einen vollständigen Frequenzhub. Das Hauptdiagramm zeigt vergrößert den rot markierten Ausschnitt aus diesem Spektrum. Innerhalb der betreffenden Rotations-Schwingungs-Übergangsbande (bei einer Wellenlänge von ca. 637,02 nm) lassen sich 21 Lamb-Dips identifizieren, deren Maxima als präzise Frequenzmarker verwendet werden können.