Präzisionsspektroskopie an Wasserstoff und Deuterium

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.