Podcasts about frequenzkamm

Dies ist die erste Folge einer neuen Rubrik des Physik-Geplänkel Podcasts: Große Nobelpreise der Physik. Diesmal geht es um den Frequenzkamm, bei dem der deutsche Physiker Theodor Hänsch 2005 den Nobelpreis erhielt. Viel Vergnügen!

Konzeptionell: Basistransformation im Funktionenraum. Anwendungen: Hänsch-Frequenzkamm, Radon-Transformation

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Test optischer Frequenzkämme zur Kalibration astronomischer Spektrographen. Die Genauigkeit der besten Spektrographen war bisher durch ihre Kalibration begrenzt. Die Benutzung von Frequenzkämmen als hochgenaue optische Frequenzreferenz verspricht die Überwindung dieser Limitierung, und damit die Bestimmung von Linienpositionen in astronomischen Spektren mit nie dagewesener Genauigkeit. Dies eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten in der Astronomie, wie die Entdeckung erdähnlicher extrasolarer Planeten über Radialgeschwindigkeitsmessungen, die direkte Messung der Beschleunigung der kosmischen Expansion, oder eine genauere kosmologische Suche nach Veränderlichkeit von Naturkonstanten. Auf Basis der vorliegenden Arbeit wurde eine kommerzielle Version des astronomischen Frequenzkamms entwickelt, die derzeit für die Installation und den Routinebetrieb an mehreren Observatorien vorbereitet wird. Um die Kammstruktur mit astronomischen Spektrographen ausreichend gut aufzulösen, werden Frequenzkämme mit extrem großen Modenabständen von typischerweise >10 GHz benötigt. Zur Erzeugung von Frequenzkämmen mit derart hohen Modenabständen verfolgt diese Arbeit einen Ytterbium-Faserlaser-basierten Ansatz, der auf der Unterdrückung ungewollter Moden eines Frequenzkamms mit ursprünglich geringerem Modenabstand beruht. Zur breitbandigen Kalibration von Spektrographen muss das erzeugte Kammspektrum über einen großen Teil des sichtbaren Spektralbereichs hinweg verbreitert werden. Bei Pulswiederholraten von >10 GHz erweist sich dies als sehr herausfordernd, und bringt bis dahin unbekannte Effekte hervor. Die vorliegende Arbeit entwickelt Strategien zur spektralen Verbreiterung astronomischer Frequenzkämme, und untersucht hiermit verbundene Fragen wie Farbzentren-Bildung im Kern photonischer Kristallfasern. Des Weiteren wird theoretisch und experimentell nachgewiesen, dass spektrale Verbreiterung mit einer drastischen Verstärkung unterdrückter Kammmoden einhergeht, und es wird gezeigt, wie hierdurch bedingte Kalibrations-Ungenauigkeiten begrenzt werden können. Da die Einhüllende des verbreiterten Spektrums stark strukturiert ist, ist es von Nutzen diese abzuflachen. Hierbei werden die Signalpegel aller Kalibrationslinien auf dem Spektrographen angeglichen, was deren Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximiert und dadurch die Kalibrationsgenauigkeit erhöht. Mehrere Konzepte zur adaptiven spektralen Abflachung werden entwickelt, wobei über einen Bereich von >200 nm abgeflachte Spektren erzeugt werden. Der astronomische Frequenzkamm wird an HARPS getestet, dem bis heute führenden Spektrographen zur Exoplanetensuche, der sich am La Silla Observatorium in Chile befindet. Über kurze Zeitspannen wird hier eine Wiederholbarkeit der Kalibration von 2,5 cm/s erreicht – einen Faktor 4 besser als mit einer Thorium-Lampe, der bis dahin besten Kalibrationsquelle. Erstmals wird der Orbit eines extrasolaren Planeten mit Hilfe eines Frequenzkamms rekonstruiert, und ein Frequenzkamm-kalibrierter Atlas solarer Linien wird aus Beobachtungen von Mondlicht erstellt. Instrumentelle Effekte werden gründlich untersucht, insbesondere Kalibrationsverschiebungen, die von den Signalpegeln auf der Spektrographen-CCD abhängen. Hinsichtlich seiner Anwendungen in der Sonnenastronomie wird der Frequenzkamm am VTT Sonnenspektrographen auf Teneriffa getestet. Hier wird eine Technik eingesetzt, die den Spektrographen über eine monomode Glasfaser gleichzeitig mit Kalibrationslicht und Sonnenlicht versorgt. Dadurch wird Modenrauschen des Faserkanals als Ursache für Ungenauigkeiten ausgeschlossen, und die Kalibrationswiederholbarkeit verbessert sich um ca. 2 Größenordnungen gegenüber einer zeitlich getrennten Übertragung. Dieses Konzept wird zur Vermessung globaler Sonnenoszillationen und zur Bestimmung der Stabilität von Absorptionslinien aus der Erdatmosphäre angewandt.

Schwerpunkt: Tobias Wilken vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching über die Funktionsweise und die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Frequenzkämmen || Nachrichten: Schillerndes Perlmutt aus der Retorte | Schaumkronen: Fäden und Blasen erzeugen Sprühnebel | Neuer Transistortyp lässt sich über Spannungspulse steuern || Veranstaltungen: Oldenburg | Berlin | Bad Münstereifel

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Frequenzkamm entwickelt, um astronomische Spektrographen besser kalibrieren zu können. Im Jahr 1999 hat die Entwicklung des Frequenzkamms den Bereich der Präzisionsspektroskopie revolutioniert. Mit seiner Hilfe wurde die Messung von Übergängen in atomaren Systemen mit zuvor unerreichter Genauigkeit möglich, was 2005 mit dem Nobelpreis für Theodor W. Hänsch und John Hall gewürdigt wurde. In dieser Zeit wurde am 3.6m Teleskop in La Silla, Chile der HARPS Spektrograph in Betrieb genommen. Er besitzt bis heute die höchste Sensitivität um die Beschleunigung kosmischer Objekte zu detektieren. Diese wird aus einer Änderung der Rotverschiebung des Lichts geschlossen. Die Präzision, mit der Frequenzänderungen gemessen werden können, ist momentan begrenzt durch die Kalibrationsquellen. Für die Entdeckung erdähnlicher Planeten über ihren Rückstoss oder gar die direkte Beobachtung der beschleunigten Ausdehnung unseres Universums ist diese Genauigkeit jedoch unzureichend. Nur durch den Einsatz neuartiger Kalibrationsquellen kann eine ausreichende Sensitivität auf Änderungen der Rotverschiebung erreicht werden. Daher wurde in 2005 eine Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) initiiert um einen Frequenzkamm zu entwickeln, der für die nächste Generation von Spektrographen als Kalibrationsquelle dienen kann. In dieser Arbeit wurde ein Yb-Faserlaser entworfen und erstmals zu einem Frequenzkamm inklusive Detektion und Stabilisierung der Offset-Frequenz weiterentwickelt. Um die einzelnen Kalibrationslinien des Kamms mit einem astronomischen Spektrographen auflösen zu können, musste der Modenabstand erhöht werden. Dazu wurden Fabry-Pérot Resonatoren als schmalbandige Filter entwickelt. Schliesslich musste der spektrale Bereich des Spektrographen von 400-700nm abgedeckt werden, was durch spektrale Verbreiterung in speziell entwickelten, mikrostrukturierten Fasern erreicht wurde. Mehrere Entwicklungsstufen dieses Systems wurden an einem Spektrographen auf Teneria und an HARPS getestet. Dabei konnte jeweils gezeigt werden, dass der Frequenzkamm die erwarteten Spezifikationen erfüllt und traditionelle Kalibrationsquellen in ihrer Sensitivität auf Frequenzabweichungen übertrifft. Frequenzänderungen von 200 kHz konnten detektiert werden, was einer Sensitivität auf Geschwindigkeitsänderungen von kosmischen Objekten von 10 cm/s entspricht. Ca. 30% des spektralen Bereiches des HARPS Spektrometers konnten abgedeckt werden und mit verbesserter spektraler Verbreiterung ist das Erreichen des gesamten Bereichs mit der nächsten Entwicklungsstufe realistisch. Durch den Einsatz eines solchen, verbreiterten Frequenzkamms an Spektrographen der nächsten Generation werden Geschwindigkeitsänderungen eines kosmischen Objekts von nur 1 cm/s detektierbar. Dies wird die Durchführung der ambitionierten Beobachtugen ermöglichen, die in der Astronomie innerhalb der nächsten Jahrzehnte geplant sind.

Letztes Jahr ging der Nobelpreis für Physik an zwei amerikanische Wissenschaftler und den deutschen Forscher Professor Theodor W. Hänsch. Er wurde vor allem für die Entwicklung des Frequenzkamms ausgezeichnet, eines ultrapräzisen Messinstruments. Doch der Frequenzkamm ist nur eines von zahlreichen Forschungsobjekten, die er als Professor für Experimentalphysik und Laserspektroskopie an der LMU und als Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching verfolgt.

Eine erstmals durchgeführte optische Messung der Hyperfeinaufspaltung des 2s-Zustandes in Deuterium und die Beschreibung eines Aufbaus zur Messung der 1s-3s-Frequenz in Wasserstoff durch Anregung mit einen Frequenzkamm erwarten den Leser dieser Arbeit. Beide Experimente haben das Ziel, die Quantenelektrodynamik (QED) gebundener Zustände mit hoher Präzision zu testen. Die Messung der Hyperfeinaufspaltung dient dabei der Verbesserung der Genauigkeit der sog. D21 = 8HFS(2s)− HFS(1s) Differenz. Da D21 weitgehend unabhängig von der Kernstruktur ist, kann trotz nicht akkurat bekanntem Protonenladungsradius QED auf einem Niveau von 10^−7 getestet werden. Im Rahmen der hier vorliegenden Arbeit wurde der Fehler dieser Größe um einen Faktor drei reduziert. Das Ergebnis für die 2s-Hyperfeinaufspaltung lautet: f_D HFS(2s) = 40 924 454(7) Hz. Durch eine neue, geschicktere Art der Datenaufnahme konnten außerdem viele systematische Fehler, insbesondere nichtlineare Driften des Referenzresonators, im Vergleich zu einer ähnlichen Messung an Wasserstoff reduziert werden. Der zweite Teil der Arbeit beschreibt die Anstrengungen, die unternommen wurden und werden, um QED anhand ihrer Vorhersage der 1s-Lamb-Verschiebung zu prüfen. Dazu soll die Frequenz des 1s-3s-Übergangs in Wasserstoff erstmals absolut gemessen werden. Ein weiteres Novum ist, daß hierzu ein frequenzvervierfachter, modengekopplter Laser zum Einsatz kommen soll. Im einzelnen wird der Aufbau und die Stabilisierung eines ps-Lasers, der Aufbau zweier Frequenzverdopplungs-Stufen, der Aufbau zur Messung der Absolutfrequenz des Spektroskopielasers, der Umbau des bestehenden 1s-2s-Vakuumsystems und die Entwicklung der Meß-Software beschrieben. Erste, von mir durchgeführte Versuche mit diesem neuen Spektrometer die Resonanz zu finden, blieben allerdings bislang erfolglos. Abschließend werden daher eine Reihe von Verbesserung vorgeschlagen, die das Experiment mit hoher Wahrscheinlichkeit doch noch zum Erfolg führen werden. Zusätzlich wird in dieser Arbeit die Theorie zur Zweiphotonen-Frequenzkammspektroskopie weiterentwickelt. Es werden konkrete Ausdrücke für die erwartete Linienform und den Einfluß von Chirp auf die Anregungsrate angegeben.

In dieser Arbeit wurde die Femtosekunden (fs)-Frequenzkammtechnik, die in der Arbeitsgruppe von Prof. T. W. Hänsch entwickelt wurde, angewendet, um die Genauigkeit nichtlinearer Prozesse zu überprüfen und eine mögliche zeitliche Veränderung von Naturkonstanten nachzuweisen. Ein Frequenzkamm ist das Spektrum eines regelmäßigen kohärenten Pulszugs, der von einem modengekoppelten Laser ausgesendet wird. Die Frequenzen f_n der Kammoden sind durch f_n=f_ce+n*f_r gegeben. Dabei ist n eine natürliche Zahl der Größenordnung 10^6, f_r die Pulswiederholrate des Lasers und f_ce eine für alle Moden gleiche Frequenzverschiebung. Wird das Spektrum eines fs-Lasers mit Hilfe einer mikrostrukturierten Glasfaser auf eine Oktave verbreitert, so können die beiden Radiofrequenzen f_r und f_ce auf einfache Weise gemessen und kontrolliert werden. Einen fs-Frequenzkamm kann man sich dabei anschaulich als Getriebe vorstellen, der optische Frequenzen und Radiofrequenzen phasengenau miteinander verbindet. Das oktavenbreite Spektrum nach einer mikrostrukturierten Glasfaser wurde in dieser Arbeit dazu verwendet, um in einem nichtlinearen Kristall durch Summenfrequenzmischung (SFG) bzw. Differenzfrequenzmischung (DFG) zwei neue Frequenzkämme zu erzeugen, deren Frequenzverschiebung 2*f_ce (SFG) bzw. f_ce=0 (DFG) beträgt. Durch das Verschwinden von f_ce eignet sich der DFG-Kamm als stabiles Uhrwerk für zukünftige optische Uhren, von denen eine relative Genauigkeit von 10^(-18) erwartet wird, was etwa 1000 mal genauer ist als die besten Cs-Atomuhren der Welt. Ein Vergleich des erzeugten SFG- und DFG-Kamms mit dem Originalkamm gestattet darüber hinaus die Überprüfung der Genauigkeit nichtlinearer Prozesse mit einer relativen Genauigkeit von 6,6*10^(-21), was verglichen mit früheren Arbeiten eine 100 fache Verbesserung darstellt. Eine Abweichung von den erwarteten Werten konnte im Rahmen der Meßgenauigkeit nicht beobachtet werden. In Zusammenarbeit mit dem Wasserstofflabor in unserer Arbeitsgruppe wurde die Frequenz des 1S-2S Übergangs in atomarem Wasserstoff zu 2466061413187087+-34 Hz gemessen, was einer relativen Genauigkeit von 1,4*10^(-14) entspricht. Damit gehört die 1S-2S Frequenz zu den am besten bekannten optischen Frequenzen. Für ihre Messung wurde ein fs-Frequenzkammgenerator verwendet, der mit Hilfe der transportablen Cs-Fontänenuhr FOM des BNM-SYRTE/ENS, Paris stabilisiert wurde. Ein Vergleich mit der Messung aus dem Jahr 1999 ergibt eine relative zeitliche Änderung der 1S-2S Frequenz von (-3,2+-6,3)*10^(-15)/Jahr. Mit diesem Wert und optischen Frequenzmessungen am 199Hg+ bzw. 171Yb+ Ion, die am NIST in Boulder/Colorado bzw. an der PTB in Braunschweig durchgeführt wurden, konnte eine Obergrenze für die gegenwärtige zeitliche Änderung der Feinstrukturkonstante von (d/dt)alpha/alpha=(-0,3+-2,0)*10^(-15)/Jahr angegeben werden. Dieser Wert ist mit Null verträglich. Für seine Herleitung wurden keine Annahmen über das zeitliche Verhalten der anderen Kopplungskonstanten gemacht. Die ermittelten Obergrenzen sind daher weitgehend modellunabhängig.