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Forschung & Entwicklung Laser halten Erschütterungen stand

Eine Frequenzverdopplungseinheit für transportable Laser wurde entwickelt, die auch noch funktioniert, wenn sie mit dem Dreifachen der Erdbeschleunigung durchgeschüttelt wird.

An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) werden mehrere Atomuhren der nächsten Generation entwickelt, die auf Atomen basieren, die mit optischen Frequenzen angeregt werden. Einige dieser neuen Uhren sind sogar transportabel. Auch die optische Aluminium-Uhr, die am QUEST-Institut an der PTB entsteht, soll unter anderem dazu genutzt werden, außerhalb des Labors physikalische Phänomene wie die von Einstein vorhergesagte Rotverschiebung zu messen.

Der Betrieb der Atomuhren außerhalb eines geschützten Labors bringt jedoch viele Herausforderungen mit sich: So ist die Umgebungstemperatur 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 wieder einjustiert werden.

Das letzte Problem betrifft insbesondere die portable Aluminiumuhr, die am QUEST-Institut entwickelt wird. Für sie werden unter anderem zwei UV-Laser bei 267 nm benötigt. Dazu muss jeweils ein langwelliger Infrarotlaser zweimal hintereinander frequenzverdoppelt werden. Hierbei wird das Licht in einem geschlossenen Ring aus vier Spiegeln eingekoppelt, sodass in ihm eine hohe optische Leistung zirkuliert. Ein darin platzierter nichtlinearer Kristall wandelt das zirkulierende Licht in Licht der halben Wellenlänge um. Es verlässt dank 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 abgeschlossen, um den gegenüber kleinsten Verunreinigungen hochempfindlichen Kristall zu schützen.

Die Entwickler des Resonators konnten an einem Prototyp demonstrieren, dass sie auch dann Laserlicht frequenzverdoppelt, während sie 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. 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 durch die Deutsche Forschungsgesellschaft und die Leibniz-Gemeinschaft unterstützt.

Originalveröffentlichung:

[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, Rev. Sci. Instrum. 89 (2018), DOI: 10.1063/1.5005515]

von mn

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