Laser frequency combs for astronomy

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.