Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

42 Kapitel 5. Experimenteller Aufbau
des Diodenlasers auf einfache Weise ber einen relativ groen Bereich von typischerweise mindestens
∆λ = ±10nm ber das Gitter verstellen. Bei den verwendeten Single mode Laserdioden
kann ansonsten die Wellenlnge nur ber den Strom und die Temperatur verstellt werden. Dabei
ist die mittlere Abhngigkeit fr die eingesetzten Dioden etwa 0,25nm/K bzw. 1GHz/mA.
Beim Verstellen ber grere Frequenzbereiche treten allerdings Modensprnge auf. Der modensprungfreie
Durchstimmbereich betrgt ca. 2GHz. Im rckgekoppelten Fall verbessern sich diese
Eigenschaften. Durch Verstimmen des Gitterwinkels kann man die Frequenz modensprungfrei
um ca. 10GHz variieren. Die Grundplatte wird thermisch auf ca. 2mK stabilisiert, um die Resonatorlnge
konstant zu halten. Es wird eine selbstentwickelte digitale Regelung eingestzt, die
ausfhrlich bei Leuthner [125] beschrieben ist. Die Kurzzeitlinienbreite der Diodenlaser mit Gitterrckkopplung
betrgt noch ca. 5MHz verglichen mit ca. 20-50MHz fr die freilaufende Laserdiode.
Die Linienbreite lt sich in einer Beatmessung bestimmen. Dazu berlagert man zwei gleiche
Diodenlaser, die um einige MHz gegeneinander verstimmt sind, auf einer schnellen Photodiode
und nimmt das Signal mit einem elektrischen Spektrumanalysator auf. Aus der Breite des
Signals kann man dann die Linienbreite fr bestimmte Mittelungszeiten bestimmen. Die Linienbreite
kann durch eine aktive Regelung nochmals deutlich reduziert werden. Bei ersten Tests
mit der neu aufgebauten Regelung hatte der damals zur Verfgung stehende PI-Regler allerdings
eine zu geringe Bandbreite, um den erhofften Effekt zu haben. Inzwischen sind verbesserte
Regler entwickelt worden. Der Versuch einer Digitalregelung mit Hilfe eines Digital Signal
Processor (DSP) wurde vorerst verworfen, da der Aufwand fr die bentigte Regelbandbreite und
Auflsung sich als sehr hoch erwiesen hat. Die erhofften Vorteile einer digitalen Regelung wie
z.B. die Mglichkeit der Verwendung nichtlinearer Regelmechanismen bringt fr diese Regelung
vermutlich keine Vorteile. Ausfhrlicher wird die Stabilisierung in Abschnitt 5.5 diskutiert.
5.4.2 Der Titan-Saphir Laser
Bei dem hier verwendeten Titan-Saphir Laser (Ti:Sa) handelt es sich um ein kommerzielles System,
nmlich den Coherent Ringlaser CR 899. Als Pumplaser dient ein ebenfalls kommerzieller
Argon-Ionen-Laser - Coherent Innova 200 - mit maximal 15W Pumpleistung. Dieses System
soll nicht im Detail diskutiert werden, da es ein in mehreren Arbeiten beschriebenes, etabliertes
System ist. Es sollen nur kurz die fr die Experimente bedeutsamen Eigenschaften zusammengefat
werden. Abb. 5.7 zeigt einen schematischen berblick ber den Ringlaser. Da der Ti:Sa-Kristall
ein sehr breites Verstrkungsprofil von ca. 700-1000nm aufweist, braucht man eine Reihe von
frequenzselektiven Elementen im Resonator, um die gewnschte Frequenz zu selektieren. In der
Praxis ergibt sich eine weitere Restriktion der verfgbaren Wellenlngen durch den eingebauten
Spiegelsatz. Der Hersteller bietet drei verschiedene Stze an, wobei wir den sogannanten short
wave Spiegelsatz verwenden, der im Bereich von 750-850nm eine hohe Reflektivitt besitzt. Als
frequenzselektive Elemente dienen drei aufeinander abgestimmte Etalons und ein Birefringent-
Filter. Der Laser ist auf einen thermisch stabilisierten optischen Resonator frequenzstabilisiert.
Die Linienbreite ist mit 500kHz spezifiziert. Die Ausgangsleistung betrgt bei einer Wellenlnge
von ca. 800nm etwa 2W (single frequency), der maximale Durchstimmbereich betrgt 30GHz.
Um die bentigten Strahlung fr den 4S 1/2 − 4P 1/2 -bergang zu erzeugen, wird der Ti:Sa frequenzverdoppelt.
Dazu kann man nichtlineare optische Kristalle verwenden. In unserem Wellenlngenbereich
kommen Bariumbetaborat (BBO), Lithiumtriborat (LBO) oder Lithiumiodat
(LiIO 3 ) als Materialien in Frage. Aufgrund des Preis-Leistungsverhltnisses wird Lithiumiodat
verwendet. Da die verdoppelte Leistung quadratisch von der Grundwellenleistung abhngt
P SHG = P 2 F un ·γ SHG, ist es vorteilhaft zur effizienten Frequenzverdopplung den Kristall entweder
in einem externen Resonator oder im Laserresonator selbst zu plazieren. Ein externer Resonator
zur berhhung der Grundwelle hat einige Vorteile. Man plaziert den Verdopplungskristall