Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD
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44 Kapitel 5. Experimenteller Aufbau<br />
erschwert die Messungen, da man <strong>in</strong> kurzen Intervallen die Laserfrequenz manuell korrigieren<br />
mu. Fr solch e<strong>in</strong>e Messung wre e<strong>in</strong>e Stabilitt von m<strong>in</strong>desten 2,5MHz/h wnschenswert. Der Laser<br />
wrde dann <strong>in</strong>nerhalb e<strong>in</strong>er Messzeit von bis zu 3h um e<strong>in</strong>e halbe L<strong>in</strong>ienbreite des Khlbergangs<br />
driften. Um die gewnschte Driftstabilitt zu erreichen, reicht die passive Frequenzstabilisierung<br />
ber die Stabilisierung der Temperatur und des Stroms des Lasers normalerweise nicht aus - wie<br />
man anhand der fr die Diodenlaser angegebenen Parameter sehen kann. Daher bentigt man e<strong>in</strong>e<br />
aktive Frequenzstabilisierung. Da fr die meisten geplanten Experimente ke<strong>in</strong>e allzu hohen<br />
Anforderungen an die Laserl<strong>in</strong>ienbreite gestellt werden, mu diese nur wenig verbessert werden.<br />
Die Driftstabilitt geniet also hchste Prioritt.<br />
Fr die Frequenzstabilisierung von Lasern gibt es e<strong>in</strong>e Reihe von Standardverfahren, die<br />
grtenteils bereits vor mehreren Jahren - kurz nach der Erf<strong>in</strong>dung des Lasers - entwickelt wurden.<br />
Man kann dabei unterscheiden zwischen Stabilisierungen auf absolute oder relative Referenzen.<br />
Absolute Referenzen s<strong>in</strong>d z.B. durch atomare oder molekulare Absorptionsl<strong>in</strong>ien gegeben.<br />
Die bekannteste Anwendung e<strong>in</strong>er solchen Technik ist der iodstabilisierte Helium-Neon<br />
Laser. Bei dieser Methode ist e<strong>in</strong>e Stabilisierung gegen Drifts direkt <strong>in</strong>tegriert. Die Verfgbarkeit<br />
geeigneter L<strong>in</strong>ien <strong>in</strong> der Nhe der bentigten Frequenz des zu untersuchenden Ions limitiert<br />
die Methode <strong>in</strong> Ihrer Anwendbarkeit allerd<strong>in</strong>gs. Fr Anwendungen mit hohen Anforderungen<br />
an die Kurzzeit-Stabilitt ist das Verfahren mitunter auch nicht optimal, da die Dopplerbreiten<br />
der Referenzl<strong>in</strong>ien recht gro se<strong>in</strong> knnen. Die Regelung auf optische Resonatoren, wobei man<br />
die relative Stabilitt des Resonators auf den Laser bertrgt, bietet hier e<strong>in</strong>e Alternative. Fr alle<br />
Frequenzen, bei denen man h<strong>in</strong>reichend gute Spiegel bekommen kann, lt sich e<strong>in</strong> geeigneter<br />
Resonator aufbauen, auf den man dann e<strong>in</strong>en Laser stabilisieren kann. Diese Methode bietet<br />
aber nicht ohne Weiteres e<strong>in</strong>e Stabilisierung gegen Drift; wenn der Resonator driftet, bernimmt<br />
der Laser diese Drift, obwohl er perfekt auf den Resonator stabilisiert ist. Daher mu man e<strong>in</strong>en<br />
greren Aufwand betreiben, um die Driftstabilitt des Resonators zu gewhrleisten. Das verlangt<br />
e<strong>in</strong>e sehr gute thermische Stabilisierung oder den E<strong>in</strong>satz spezieller Materialien. Man kann natrlich<br />
auch Komb<strong>in</strong>ationen beider Verfahren e<strong>in</strong>setzen. Die am hufigsten benutzten Methoden<br />
zur Stabilisierung, die auch <strong>in</strong> diesem Experiment e<strong>in</strong>e Rolle spielen, sollen im Folgenden nher<br />
erlutert werden.<br />
5.6 Methoden zur Frequenzstabilisierung von Lasern auf optische<br />
Resonatoren<br />
Bei dieser Methode dienen optische Resonatoren dazu, e<strong>in</strong> Fehlersignal fr die Regelung der<br />
Laserfrequenz zu erzeugen. Das Grundpr<strong>in</strong>zip bei der Stabilisierung auf optische Resonatoren<br />
beruht darauf, da deren Transmissionssignal von der Laserfrequenz abhngt. Aufgrund der bekannten<br />
Frequenzabhngigkeit, die <strong>in</strong> Abb. 5.8 gezeigt ist, kann man leicht die Frequenzabweichungen<br />
des Lasers relativ zum Resonator bestimmen. Diese knnen ber die Intensittsnderung<br />
des transmittierten Lichts detektiert werden, was technisch e<strong>in</strong>fach handzuhaben ist. Dabei lt<br />
sich die Transmissionscharakteristik des Resonators, d.h. die Strke der Intensittsnderung pro<br />
Frequenzabweichung, ber leicht zugngliche Parameter wie Reflektivitt und Abstand der Resonatorspiegel<br />
variieren. Die Halbwertsbreite ∆ der Resonanz ist e<strong>in</strong> Ma fr die letztlich erzielbare<br />
Regelgenauigkeit. Je hher man die Reflektivitt der Spiegel macht, um so schmaler wird die<br />
Halbwertsbreite. Zum Erreichen e<strong>in</strong>er hohen Kurzzeitstabilitt ist also e<strong>in</strong> optischer Resonator<br />
mit hoher F<strong>in</strong>esse erforderlich. Die F<strong>in</strong>esse ist def<strong>in</strong>iert als F =<br />
∆ , wobei ∆ die Halbwertsbreite<br />
und FSR der freie Spektralbereich s<strong>in</strong>d. Das Problem ist allerd<strong>in</strong>gs, da e<strong>in</strong>e schmale<br />
F SR<br />
Halbwertsbreite auch e<strong>in</strong>en kle<strong>in</strong>en Fangbereich der Regelung nach sich zieht. E<strong>in</strong> Problem<br />
dieses Pr<strong>in</strong>zips zur Stabilisierung ist, da auf lngeren Zeitskalen nennenswerte Frequenzdrifts