Dokument: Entwicklung und Anwendung eines Frequenzkamm-basierten Lasersystems für die Präzisions-Spektroskopie an ultrakalten Molekülen und Atomen

Titel:	Entwicklung und Anwendung eines Frequenzkamm-basierten Lasersystems für die Präzisions-Spektroskopie an ultrakalten Molekülen und Atomen
Weiterer Titel:	Development and application of a frequency-comb based laser system for precision spectroscopy on ultracold molecules and atoms
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=13884
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20100122-101223-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Ernsting, Ingo [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,67 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 20.01.2010 / geändert 20.01.2010
Beitragende:	Prof. Dr. Schiller, Stephan [Gutachter] Prof. Dr. Görlitz, Axel [Gutachter]
Stichwörter:	Frequenzmetrologie, Frequenz-Metrologie, Metrologie, Präzisions-Spektroskopie, Präzisionsspektroskopie, Frequenzkamm, GEECDL-Lasersystem, Optische Atomuhr, HD+ Spektroskopie
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	Die Erfindung des Femtosekunden-Laser basierten optischen Frequenzkamms durch T.W. Hänsch im Jahre 1999, welche eine genaue Messung optischer Frequenzen über weite spektrale Bereiche in einfacher Weise ermöglicht, hat das Gebiet der Metrologie und Präzisions-Spektroskopie revolutioniert. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Aufbau eines Frequenzkamm-basierten Lasersystems für die Präzisions-Spektroskopie an ultrakalten Molekülen und Atomen an dem Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf. Die präzisionsspektroskopische Ausrichtung zielt hierbei auf die experimentelle Vermessung des fundamentalen Verhältnisses von Elektronenmasse zu Protonenmasse, dessen bessere Kenntnis u.a. zu einer genaueren Bestimmung der Feinstrukturkonstante α beitragen kann. Einen neuartigen experimentellen Zugang hierfür bietet die rovibronische Spektroskopie der molekulare Wasserstoffionen, speziell des HD+ Ions. Die Molekülionen werden hierfür in einer linearen Paulfalle gespeichert und zur notwendigen Minimierung der Dopplerverbreiterung, mithilfe der sympathetischen Kühlung durch lasergekühlte Berylliumionen bis auf eine translatorische Temperatur von ca. 50 mK gekühlt. Das im Rahmen dieser Arbeit aufgebaute Spektroskopie-Lasersystem basiert auf der Weiterentwicklung eines frühen Prototyps des Frequenzkamms FC 8004 der Firma Menlo Systems. Sein infraroter Emissionsbereich wurde zur Erfassung der rovibronischen Übergänge auf mehr als 1500 nm ausgedehnt. Weiterhin ist die Langzeitstabilität des Frequenzkamms durch die Implementierung zusätzlicher Regelschleifen zur Dispersions- und Repetitionsraten-Kontrolle optimiert worden. Zur Abtastung der rovibronischen Übergänge wurden zwei neuartige GEECDL (grating enhanced external cavity diode laser) Spektroskopielaser aufgebaut, welche die weite Durchstimmbarkeit (> 50 nm) eines Littman- oder Littrow-Lasers mit der geringen Linienbreite (< 30 kHz) und hohen Kurzzeitstabilität eines Hollberg-Lasers kombinieren. Für die Erfassung der Schwebungssignale zur Frequenzmessung und/oder Frequenz- bzw. Phasenstabilisierung der Laser relativ zu dem Frequenzkamm, wurden schnelle Trackingoszillatoren zur aktiven Frequenzfilterung, Frequenz/-Phasendetektoren und Regelfilter entwickelt. Der rovibronische HD+ (v' = 4, N' = 3) <- (v = 0, N = 2) Übergang aus dem elektronischem HD+ Grundzustand X2Σ+, wurde hiermit mit einer Genauigkeit von 2,3 ppb bestimmt, was eine 165-fache Verbesserung in der Genauigkeit gegenüber früheren Messungen darstellt. Die erreichbare Messgenauigkeit des Frequenzkamms ist grundsätzlich durch die Instabilität der verwendeten Frequenzreferenz (GPS-referenzierter H-Maser) limitiert. Optische Atomuhren mit einer um zwei Größenordnungen reduzierten Instabilität gegenüber Mikrowellen-basierten Cäsium-Atomuhren versprechen daher einen entscheidenen Fortschritt in der Metrologie, bei der Messung fundamentaler Konstanten bzw. deren möglicher Zeitabhängigkeit und in der Verifikation relativistischer Aussagen. Am Institut für Experimentalphysik der Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf befindet sich daher eine optische Ytterbium Atomuhr im Aufbau. Im Rahmen dieser Arbeit wurde hierfür die absolute optische Frequenz eines frequenzverdoppelten, auf einen Referenzresonator hoher Güte, frequenzstabilisierten QD-ECDL (Quantum Dot External Cavity Laser), bei der Beprobung des 171Yb: 3P0 -> 1S0 Überganges mit dem Frequenzkamm gemessen, sowie das Stabilitätsverhalten des frequenzstabilisierten QD-ECDL "Uhrenlasers" ermittelt. Die Eignung des Frequenzkamms als Frequenzuntersetzer vom optischen Spektralbereich zur Mikrowellenregion wird durch eine Stabilisierung des Frequenzkamms auf einen kryogenen optischen Saphir Resonator, zur Reduzierung der Linienbreite demonstriert. Weiterhin wurde dessen thermischer Ausdehnungskoeffizienten α, das Stabilitätsverhalten und die Langzeit-Frequenzdrift ermittelt. Für den stabilen Transport von Laserstrahlung aus dem Metrologie-Labor in entfernte Labore, wurde eine Faserstabilisierung aufgebaut. Die Methode zur Erzeugung einer virtuellen Schwebungsfrequenz zwischen Lasern mit einem Frequenzabstand von mehreren 100 THz wurde anhand eines frequenzverdoppelten Nd:YAG Lasers mit dem Frequenzkamm umgesetzt. The invention of the femtosecond frequency comb by T.W. Hänsch in 1999 has revolutionized the field of metrology and precision spectroscopy. With that device measurements of optical frequencies over wide spectral arrays are possible in a simple way. The present work describes the design of an frequency-comb based laser system for precision spectroscopy on ultracold molecules and atoms at the Institute for Experimental Physics of the Heinrich-Heine-University Düsseldorf. The precision spectroscopic goal is the measurement of the fundamental electron to proton mass ratio, that can lead to a better determination of the fine structure constant α. A novel experimental access for this purpose is the rovibronic spectroscopy of molecular hydrogen ions, in particular the HD+ ion. The ions are stored in a linear Paul trap and cooled to a translational temperature of 50 mK for the minimization of the Doppler broadening. The spectroscopic laser system constructed in the frame of this thesis is based on a enhancement of an early prototype of a FC 8004 Menlo Systems frequency comb. The infrared part of the emission is broadened to beyond 1500 nm, so as to cover the rovibronic transitions. Long-term stability of the frequency comb is archieved by implementation of additional dispersion and repetition rate servo loops. For sensing the rovibronic transitions two novel GEECDL (grating enhanced external cavity diode laser) spectroscopy lasers were built, which combine the wide tunability (> 50 nm) of a Littman- or Littrow-lasers together with the small linewidth (< 30 kHz) and the high short-term stability of a Hollberg laser. For acquisition of the beat-notes in frequency measurements and/or frequency-, respectively phase-stabilisations of the laser to the frequency comb, fast tracking oscillators for active frequency filtering, a frequency-phase detector and loop filters were developed. The rovibronic HD+ (v' = 4, N' = 3) <- (v = 0, N = 2) transition from the electronic X2Σ+ ground state was measured with an inaccuracy of 2,3 ppb. This is a factor of 150 better than previous results. The accuracy of the frequency comb is in principle limited by the instability of the used reference source (here a GPS-disciplined hydrogen maser). Optical clocks with instabilities of two orders less than microwave based cesium atomic clocks promise an essential advance in metrology, in determination of fundamental constants and their possible time dependences and for tests of relativity. Therefore, at the Institute for Experimental Physics of the Heinrich-Heine-University Düsseldorf an optical ytterbium atomic clock is under development. In the course of this thesis the absolute optical frequency of a frequency doubled QD-ECDL (Quantum Dot External Cavity Laser) was measured by sampling the 171Yb: 3P0 -> 1S0 transition. In addition, the stability of a QD-ECDL clock laser was determined. The ability for stability transfer of the frequency comb from the optical spectral range to the microwave range is demonstrated by linewidth reduction through stabilisation to a cryogenic optical resonator. Furthermore the thermal coefficient of expansion α, the stability and long-time drift of the resonator were measured. For stable transfer of the laser radiation from the metrology lab to distant labs a fiber stabilisation was established. Finally, the method for generation of a virtual beat note between lasers whose frequencies differ by up to several 100 THz was implemented, using a frequency-doubled Nd:YAG laser as a test system.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Experimentalphysik
Dokument erstellt am:	22.01.2010
Dateien geändert am:	20.01.2010
Promotionsantrag am:	24.08.2009
Datum der Promotion:	28.10.2009