Genaue Messungen mit Femtosekundenfrequenzkämmen

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.