Aufbau und Charakterisierung eines hochstabilen Nd:YAG Lasers für ein Indium Frequenznormal
Der 3P0 - 1S0 Übergang (Uhrenübergang) des einfach ionisierten Indiums (lambda = 236,5 nm) gilt als einer der aussichtsreichsten Kandidaten für ein neues Frequenznormal im optischen Bereich mit einer relativen Genauigkeit von 10^-18. Als kurzzeitstabilen Oszillator benötigt man hierfür einen Laser mit einer Linienbreite, die kleiner als die natürliche Linienbreite des Uhrenübergangs ist (0,8 Hz). Die Koinzidenz der vierfachen Frequenz des Nd:YAG Laserüberganges bei 946 nm mit dem Indiumübergang bietet die Möglichkeit einen diodengepumpten monolithischen Ringlaser aus Nd:YAG (MISER) hierfür zu verwenden, was die Möglichkeit eröffnet mit einem sehr kompakten Aufbau in neue Bereiche der Frequenzstabilität vorzudringen. Der MISER wird hierfür auf einen hochstabilen Referenzresonator mittels der Pound-Drever-Hall Stabilisierungstechnik stabilisiert. Als Resonatoren werden verschiedene Materialien (Zerodur und ULE), wie auch verschiedene geometrische Abmessungen verwendet, die jeweils in einer Vakuumkammer innerhalb einer temperaturstabilisierten Umgebung gelagert sind. Das Hauptproblem bei der Verbesserung der absoluten Frequenzstabilität des Uhrenlasers besteht darin, dass der Referenzresonator, eine sehr gute Isolierung gegenüber äußeren Einflüssen wie seismischen Vibrationen und Temperaturfluktuationen erhalten muß. Auf dem Weg zur sub-Hertz Stabilität des Lasers werden hierfür verschiedene Methoden untersucht. Für die Isolierung der seismischen Vibrationen stellt sich ein aktiv vibrationsisolierendes System (AVI) als besonders effektiv heraus, dessen Leistungsfähigkeit ausgiebig untersucht wird. Mit Hilfe einer neuen Art der zweifachen Frequenzstabilisierung eines Lasers auf einen Referenzresonator werden schließlich Rekordwerte hinsichtlich der Qualität der Anbindung des Lasers an die Referenzfrequenz eines Resonators von <10^-16 erreicht. Um die absolute Frequenzstabilität des MISERs zu überprüfen wird ein zweiter unabhängiger Referenzresonator benötigt, der auf einem zweiten unabhängigen AVI-System aufgebaut wird. Um zu zeigen, dass die Verwendung von zwei unabhängig voneinander stabilisierten Laserstrahlen des MISERs bei Schwebungssignalmessungen denselben Informationsgehalt liefern, wie zwei unabhängige Laser, werden entsprechende vergleichende Messungen durchgeführt. Durch den Aufbau der beiden Lasersysteme in zwei verschiedenen Labors des Instituts, die durch eine 100 m lange optische Faser verbunden sind, wird die größtmögliche Unabhängigkeit von einer gemeinsamen, beispielsweise seismischen Anregung gewährleistet. Der frequenzverbreiternde Einfluss der optischen Faser wird durch eine aktive Frequenzstabilisierung auf mHz-Niveau gedrückt. Weitere begrenzende Einflüsse auf die Frequenzstabilität wie Laserintensitätsschwankungen werden durch eine effektive Leistungsstabilisierung ebenfalls stark unterdrückt. Aufgrund dieser Maßnahmen werden für die Absolutfrequenzstabilität des MISERs schließlich die geforderten sub-Hertz Werte erreicht. Insgesamt ist durch die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Ergebnisse hinsichtlich der Frequenzstabilität des Uhrenlasers für das Indiumfrequenznormal die Grundlage für die zukünftige Realisierung der SI-Sekunde über ein einzelnes In+ Ion geschaffen worden.
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