Frequenzkamm für UV-Strahlung
Mit dem ersten Frequenzkammlaser im extremen UV haben niederländische Physiker die Ionisierungsenergie von Helium so genau gemessen wie nie zuvor.
Mit dem ersten Frequenzkammlaser im extremen UV haben niederländische Physiker die Ionisierungsenergie von Helium so genau gemessen wie nie zuvor.
Frequenzkammlaser haben eine Revolution in der Laserspektroskopie eingeleitet, deren Auswirkungen noch nicht lange abzusehen sind. Mit ihnen lassen sich optische Frequenzen auf ein Hertz genau messen. Damit werden optische Atomuhren möglich, die tausendmal genauer „ticken“ als die heute eingesetzten Cäsiumuhren. Zudem kann man mit Frequenzkämmen die Frequenzen von atomaren Übergängen extrem genau messen. Anhand der über einen größeren Zeitraum gewonnenen Resultate lässt sich überprüfen, ob die Naturkonstanten wirklich unveränderlich sind. Jetzt haben Forscher in Amsterdam den ersten Frequenzkamm für extremes UV-Licht realisiert und mit ihm die Ionisationsenergie von Helium extrem genau gemessen.
Kjeld Eikema und seine Kollegen von der Freien Universität Amsterdam haben bei ihren Experimenten einen infraroten Frequenzkammlaser benutzt, dessen Licht sie in extreme UV-Strahlung von etwa 51 nm Wellenlänge umgewandelt haben, ohne dass dabei die spektralen Eigenschaften des Frequenzkamms verloren gingen. Der Laser gab phasenkohärente Pulse von 300 fs Dauer bei 773 nm Wellenlänge ab. Der zeitliche Abstand zwischen den Pulsen konnte so variiert werden, dass er einer bestimmten und sehr großen Zahl von Schwingungen des Lasers entsprach. Durch elektronisches Auszählen der Blitze pro Sekunde lässt sich dann die Laserfrequenz sehr genau bestimmen.
Abb.: Schema des experimentellen Aufbaus, I- Iris, D-Blende , L-Fokussierlinse , f=50 cm (Bild: Dominik Z. Kandula et al.)
Seinen Namen hat der Frequenzkammlaser der Tatsache zu verdanken, dass sein Licht sehr viele Frequenzen enthält, die wie die Zähne eines Kamms in konstantem Abstand aufeinander folgen: fn = f0 + n frep, wobei frep die Frequenz der Pulsfolge ist. Um eine unbekannte Frequenz zu messen, stimmt man mit ihr der Reihe nach mehrere Frequenzen des Kamms ab, indem man die Pulsfrequenz variiert (s. Abb.). Die jeweiligen Werte für n sind zwar zunächst unbekannt, lassen sich aber aus den auftretenden Frequenzübereinstimmungen leicht ermitteln.
Abb.: Mehrere Frequenzkämme für unterschiedliche Pulsfrequenz frep wurden mit der Anregungsfrequenz des Heliums abgestimmt. Der Vergleich der Kämme (s. oben) zeigt, welcher der vielen „Zähne“ eines jeden Kammes tatsächlich der Anregungsfrequenz (s. unten) entspricht. (Bild: Dominik Z. Kandula et al.)
Die niederländischen Forscher haben für ihr Verfahren nur jeweils zwei aufeinanderfolgende Pulse des Frequenzkammlasers benutzt, deren Abstand sie zwischen 5,5 ns und 10 ns variierten. Dadurch wurden die Zinken des Frequenzkamms verbreitert und abgerundet. Die infraroten Pulse wurden mit einem optischen parametrischen Oszillator verstärkt und auf einen Strahl von Kryptonatomen fokussiert. Durch nichtlineare optische Wechselwirkung mit den Atomen wurden höhere Harmonische der Laserfrequenz erzeugt, wobei die Forscher es so einrichteten, dass die 15. Harmonische die höchste war, die auftrat. Es entstanden zwei UV-Pulse mit 51 nm Wellenlänge, die jeweils etwa 108 Photonen enthielten.
Mit den beiden UV-Pulsen bestrahlten die Forscher Heliumatome, die durch den Laserstrahl flogen. Die Lichtfrequenzen der beiden Pulse entsprachen ungefähr der Anregungsfrequenz eines bestimmten atomaren Übergangs des Heliums (1s2 1S0 - 1s 5p 1P1). Die angeregten Atome wurden anschließend ionisiert und dann gezählt. Diese Prozedur wiederholten die Forscher für Pulse mit unterschiedlichem zeitlichem Abstand, wodurch sich die Frequenzkämme der Pulse änderten. Das führte zu einer charakteristischen Modulation der Anregung der Atome, wie sich aus dem Ionisierungssignal ablesen ließ. Aus dieser Modulation konnten Eikema und seine Kollegen bestimmen, welche Frequenz aus dem Frequenzkamm das Heliumatom jeweils angeregt hatte.
Da die Energie für die Ionisierung des angeregten Zustands (1s 5p 1P1) sehr genau bekannt ist, konnten die Forscher schließlich die Ionisierungsenergie für Helium im Grundzustand ermitteln. Demnach ist E/h = 5 945 204 212 (6) MHz. Dieser Wert stimmt mit dem theoretischen Wert gut über ein, er ist aber fast zehnmal genauer als der früher gemessene Wert. Zur Kontrolle wiederholten sie die Messungen für einen weiteren Übergang (1s2 1S0 - 1s 4p 1P1) – mit demselben Ergebnis. Eikema und seine Mitarbeiter sind zuversichtlich, dass sie die Genauigkeit ihrer Messungen noch wesentlich verbessern können.
Mit UV- und möglichweise auch Röntgen-Frequenzkämmen ließen sich viele weitere atomare Übergänge extrem genau messen und damit noch weitere Vorhersagen der Theorie überprüfen. Mit Hilfe von Röntgen-Frequenzkämmen könnte man vielleicht sogar „nukleare Uhren“ verwirklichen, die Kernübergänge im Röntgenbereich ausnutzen.
RAINER SCHARF
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
Dominik Z. Kandula et al.: Extreme Ultraviolet Frequency Comb Metrology. Phys. Rev. Lett. 105, 063001 (2010)
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.063001
http://www.nat.vu.nl/en/Images/XUV-comb-PRL_tcm69-175892.pdf (frei!)
http://arxiv.org/abs/1004.5110
- Kjeld Eikema an der Freien Universität Amsterdam:
http://www.few.vu.nl/~kjeld/
- Wim Ubachs an der Freien Universität Amsterdam:
http://www.nat.vu.nl/~wimu/
- Ultrafast Physics and Frequency-Comb Laser Metrology:
http://www.nat.vu.nl/~kjeld/fast.html
Weitere Literatur
- S. Witte et al.: Deep ultraviolet quantum-interference metrology with ultrashort laser pulses. Science 307, 400 (2005)
http://www.nat.vu.nl/en/Images/Kr_Science_tcm69-85513.pdf (frei!)
- Thomas Udem: Short and Sharp—Spectroscopy with Frequency Combs. Science 307, 364 (2005)
http://www.nat.vu.nl/en/Images/Udem_comm_tcm69-85544.pdf (frei!)
- Thomas Udem, Ronald Holzwarth, Theodor W. Hänsch: Uhrenvergleich auf der Femtosekundenskala. Physik Journal, Ausgabe: 2/2002 S. 39 (2002)
KP
