Frequenzreferenz-Aufbau mit neunfach Jod-Glas-Zelle
Licht ist eine elektromagnetische Welle und besitzt eine Frequenz. Laser haben eine stabile Frequenz. Um präzise Messungen durchführen zu können, reicht diese Stabilität oft nicht aus. Eine Methode zur Stabilisierung der Frequenz ist die Kopplung an einen definierten elektromagnetischen Übergang eines Atoms oder Moleküls. Ein bewährtes Medium für diese Stabilisierung ist Jod.
Ein präzises Verfahren zur Frequenzstabilisierung von Lasern ist die dopplerfreie Modulations-Transfer-Spektroskopie. Dazu werden zwei gegenläufige Laserstrahlen benötigt: Pumpstrahl und Probestrahl. Ersterer regt Jodmoleküle gezielt an. Sind die Moleküle angeregt, können sie kein weiteres Licht der gleichen Frequenz absorbieren. Dadurch bleibt der Probestrahl ungestört, kann die Zelle passieren und wird anschließend detektiert. Ändert sich die Laserfrequenz, ändert sich auch das gemessene Signal. Es kann daher zur Regelung genutzt werden. Diese Methode ermöglicht eine hochpräzise Frequenzstabilisierung.
Die Frequenz eines grünen Lasers beträgt etwa 283.000.000.000.000 Hertz. Mit Jod-Spektroskopie können Stabilitäten von bis zu einem Hertz (und besser) erreicht werden. Das entspricht einer relativen Genauigkeit von 10-15.
Solche Frequenzstabilitäten werden in vielen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen genutzt. In der Meteorologie, bei hochpräzisen Experimenten in der Quantenoptik und in der Zeit- und Frequenzmessung. Ein bekanntes Beispiel ist ihre Verwendung in globalen Navigationssystemen wie Galileo oder GPS. Bei ihnen sind hochgenaue Zeitmessungen für eine präzise Positionsbestimmung erforderlich.
Das Exponat zeigt eine kompakte Umsetzung eines Jod-Stabilisierungsaufbaus: Bei ihm wird ein normalerweise 90 Zentimeter langer Strahl durch Mehrfachreflexion in eine kompakte 10×10 Zentimeter große Zelle gefaltet. Der Aufbau konnte stark verkleinert werden, ohne die Stabilisierungseffizienz zu beeinträchtigen. Die Erkenntnisse aus diesem Aufbau fließen direkt in das Design des COMPASSO-Projekts ein. Es beschäftigt sich mit der Entwicklung einer hochgenauen Uhr an Bord der Internationalen Raumstation ISS.
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
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