Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

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