Techniklexikon

Frequenzstabilisierung

Laserphysik und -technik, in der Laserphysik die zusammenfassende Bezeichnung für alle Methoden, die es erlauben, die ansonsten unvermeidlichen Schwankungen der Emissionsfrequenz eines Lasers zu kompensieren. Viele Anwendungen von Lasern - besonders als Frequenznormale und in der Laserspektroskopie - sind nur mit extrem stabilen Frequenzen möglich. Soll zum Beispiel in der Spektroskopie ein bei l = 500 nm emittierender Laser für die Untersuchung eines 40 MHz breiten atomaren Übergangs verwendet werden, dann sollte seine Frequenz mindestens auf 10 MHz stabil sein. Bei dieser Emissionsfrequenz von c / l » 6 × 10¹⁴ Hz darf die Schwankung somit nicht mehr als den hundertmillionsten Teil der Frequenz ausmachen. Für die Verwendung von Lasern in Frequenzstandards will man relative Schwankungen bis auf 10^-15 reduzieren.

Voraussetzung für eine Frequenzstabilisierung ist zuerst der Single-Mode- oder auch Monomoden-Betrieb des Lasers, d.h. dass jeweils nur eine Resonatormode schwingt und der Laser entsprechend nur auf einer Frequenz emittiert. Zudem muss sichergestellt werden, dass sich Resonatormoden und Verstärkungsprofil nicht unkontrolliert gegeneinander verschieben können. Im Fall einer ausreichenden Verschiebung der Resonatormoden kann plötzlich eine andere als die bisher oszillierende Mode eine grössere Verstärkung erfahren und zu schwingen beginnen, was zu einem Moden- und Frequenzsprung (mode-hopping) führt.

Alterungserscheinungen, z.B. die Degradation von Laserdioden oder des Mediums in Gaslasern, haben nur geringere Bedeutung für die Frequenzstabilisierung, da ihre Effekte meist erst im Bereich von Tagen spürbar werden und zudem - ohne kompletten Austausch des Mediums - oft irreversibel sind.

Obwohl es sehr effektive Mechanismen zur Unterdrückung von Temperaturschwankungen, zur Schallisolierung und zur Stabilisierung von Stromquellen gibt, lassen sich die benötigten Frequenzstabilitäten ohne eine zusätzliche aktive Frequenzstabilisierung nicht erreichen. Zur Detektion der Abweichung der Frequenz von einem relativen oder absoluten Sollwert verwendet man unter anderem die Ankopplung an atomare Übergänge (mit der Möglichkeit zur absoluten Frequenzeichung), die Frequenzmessung mit Interferometern oder die Mischung mit anderen Laserstrahlen bekannter Frequenz. Das ermittelte Fehlersignal wird zur Korrektur der Lage der Resonatormoden und des Verstärkungsprofils benutzt. Dies geschieht vor allem durch eine Anpassung der Resonatorlänge oder optischer Elemente im Resonator (Gitter, Etalons). Begrenzt wird die erreichbare Frequenzstabilität vor allem durch die Reaktionszeit des Korrektursystems, das aufgrund der Massenträgheit der zu bewegenden optischen Elemente nur endlich schnell reagieren kann. [PVDH]

Frequenzstabilisierung: Aufbau zur Frequenzstabilisierung eines Lasers mit Hilfe einer Referenzwellenlänge.