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Frequenzverdopplungseinheit für transportable Laser

 

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist in Deutschland für die Aussendung der gesetzlichen Zeit zuständig, beispielsweise für Funkuhren. Für diese Aufgaben wird ein Laserresonator verwendet, für den PTB-Physiker eine portable Frequenzverdopplungseinheit entwickelt haben, die auch dann noch funktioniert, wenn sie mit dem Dreifachen der Erdbeschleunigung durchgeschüttelt wurde.

 

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist in Deutschland für die Aussendung der gesetzlichen Zeit zuständig, beispielsweise für Funkuhren. Dazu betreibt sie einige der besten Cäsium-Atomuhren der Welt. Gleichzeitig werden von der PTB schon mehrere Atomuhren der nächsten Generation entwickelt. Diese Uhren basieren nicht mehr auf einem Mikrowellenübergang in dem Element Cäsium, sondern auf anderen Atomen, die mit optischen Frequenzen angeregt werden.

Einige dieser neuen Uhren sind sogar transportabel. Diesbezüglich soll unter anderem auch die optische Aluminium-Uhr, die am QUEST-Institut an der PTB entsteht, dazu genutzt werden, außerhalb des Labors physikalische Phänomene wie die von Einstein vorhergesagte Rotverschiebung zu messen. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass die notwendigen Laser dem Transport standhalten.

Daher haben PTB-Physiker eine Frequenzverdopplungseinheit entwickelt, die auch dann noch funktioniert, wenn sie mit dem Dreifachen der Erdbeschleunigung durchgeschüttelt wurde. Die Ergebnisse von Entwicklung und Test wurden in der aktuellen Ausgabe von »Review of Scientific Instruments« veröffentlicht.

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Die Laser-Aufbauten der optischen Aluminiumuhr, die am QUEST-Institut an der PTB entwickelt wird. (Abb.: PTB

Bereits Einstein fand heraus, dass zwei Uhren, die sich an unterschiedlichen Stellen im Schwerefeld der Erde befinden, unterschiedlich schnell ticken. Was sich zunächst nach einer Skurrilität anhört, hat ganz praktische Anwendungen: So lässt sich mit zwei optischen Atomuhren, die eine extrem kleine relative Messunsicherheit von 10–18 aufweisen, der Höhenunterschied zwischen beliebigen Punkten auf der Erde auf »1 cm« genau messen. Dieses sogenannte »chronometrische Nivellement« stellt eine wichtige Anwendung von Uhren in der Geodäsie dar. Eine der Voraussetzungen dafür ist, dass sich die optischen Frequenzen der beiden Uhren vergleichen lassen, z. B. über Glasfasern.

An der PTB werden gleich mehrere Atomuhren unterschiedlichen Typs entwickelt, die sich jeweils in einem Anhänger bzw. Container transportieren lassen. Der Betrieb außerhalb eines geschützten Labors bringt jedoch viele Herausforderungen mit sich: So ist die Umgebungstemperatur deutlich viel weniger stabil. Und beim Transport auf der Straße kann es zu erheblichen Erschütterungen kommen. Deshalb können optische Aufbauten, die im Labor tadellos funktioniert haben, am Zielort zunächst unbrauchbar sein. Sie müssen in mühevoller Kleinarbeit wieder einjustiert werden, wodurch wertvolle Forschungszeit verloren geht.

Das letzte Problem betrifft insbesondere die portable Aluminiumuhr, die am QUEST-Institut entwickelt wird.

Für diese portable Aluminiumuhr werden u. a. zwei UV-Laser bei 267 nm benötigt. Für diese Wellenlänge lässt sich nicht einfach eine Laserdiode kaufen. Stattdessen muss jeweils ein langwelliger Infrarotlaser zweimal hintereinander frequenzverdoppelt werden. Hierbei wird das Licht in einem geschlossenen Ring aus vier Spiegeln eingekoppelt, so dass im Ring eine hohe optische Leistung zirkuliert. Ein darin platzierter nichtlinearer Kristall wandelt das zirkulierende Licht in Licht der halben Wellenlänge um. Es verlässt aufgrund der dichroitischen Beschichtung der Spiegel den Resonator und wird dann zur Abfrage der Uhr verwendet. Für diesen sogenannten Frequenz-Verdopplungsresonator wurde am QUEST-Institut ein Design entwickelt, das auf einem monolithischen und damit hochstabilen Rahmen basiert, an dem alle Spiegel und der Kristall befestigt sind. Nach außen ist der Aufbau gasdicht abschlossen, um den gegenüber kleinsten Verunreinigungen hochempfindlichen Kristall zu schützen.

Die Entwickler des Resonators konnten an einem Prototyp demonstrieren, dass auch dann Laserlicht frequenzverdoppelt wird, während der Aufbau Beschleunigungen von 1 g ausgesetzt ist. Zusätzlich wurde gezeigt, dass selbst eine 30-minütige Beschleunigungsphase mit bis zu 3 g die Effizienz der Frequenzverdopplung nicht beeinträchtigt. Das entspricht dem Fünffachen des Wertes, der in der Norm ISO13355:2016 für Straßentransporte auf Lastkraftwagen angegeben ist. Jedoch ist der Resonator nicht nur mechanisch robust, sondern genauso effizient wie vergleichbare Systeme von Forschungsgruppen anderer Institute. Zudem wurde ein ununterbrochener Dauerbetrieb von 130 Stunden demonstriert.

Angesichts dieser Eigenschaften wurden mehrere dieser Verdopplungsresonatoren für verschiedene (nicht nur UV-) Wellenlängen am QUEST-Institut zum festen Bestandteil unterschiedlicher quantenoptischer Experimente, um diese zuverlässig mit Laserlicht zu versorgen. Zudem hat eine deutsche Optomechanik-Firma das Design lizenziert, um es als Basis für ein kommerzielles Produkt zu nutzen. Das Projekt wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (Förderung CRC 1128 geo-Q, Projekt A03, CRC 1227 DQ-mat, Projekte B03 und B05) und die Leibniz-Gemeinschaft (SAW-2013-FBH-3).
es/PTB

 

Ansprechpartner
Prof. Dr. Piet O. Schmidt, QUEST, Telefon: (0531)592-4700, E-Mail:
piet.schmidt(at)ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung
S. Hannig, J. Mielke, J. Fenske, M. Misera, N. Beef, C. Ospelkaus, P. O. Schmidt:
A highly stable monolithic enhancement cavity for second harmonic generation in the ultraviolet. Review of Scientific Instruments 89, 013106 (2018)

Zu der Veröffentlichung ist bei AIP auch ein sogenanntes „Scilight“ erschienen: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/sci/2018/3/10.1063/1.5021479

Autorin: Erika Schow, PTB Bearbeitung: Wolfgang Klinker Klinker@industry-focus.info 

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