Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

5.6. Methoden zur Frequenzstabilisierung von Lasern auf optische Resonatoren 45
Intensität [bel.Einh.]
0.8
0.6
0.4
0.2
Laserverstimmung [bel.Einh.]
Abbildung 5.8. Transmission eines optischen Resonators. Gezeigt ist die Transmission als
Funktion der Lngennderung. Man erkennt periodische Maxima im Abstand
eines freien Spektralbereichs. Gezeigt ist ein verlustfreier Resonator.
entstehen knnen, wenn die Resonatorfrequenz nicht stabil ist. Eine Ursache dafr kann z.B. in
einer thermisch bedingten Lngennderung des Resonators liegen. Die optische Weglnge kann
sich aber auch durch Variationen des Brechungsindex ndern, die durch Temperatur- und Drucknderungen
der Luft im Resonator verursacht werden kann. Demzufolge mu man zum Erreichen
einer hohen Langzeitstabilitt besondere Vorkehrungen treffen. Durch die Auswahl spezieller
Materialien mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie z.B. ULE (Ultra Low
Expansion) und den Einsatz von Resonatoren in evakuierten, temperaturgeregelten Umgebungen
kann man dieses Problem aber reduzieren, allerdings mit technisch zum Teil hohem Aufwand.
Zur Zeit liegt die Linienbreite eines der stabilsten Laser bei 0,6Hz [205]. Ein weiteres
grundstzliches Problem ist die Frage, ob man einen Resonator fester oder variabler Lnge whlen
soll. Fr die Durchstimmbarkeit des Lasers oder um den Laser bei der bentigten Frequenz in Resonanz
mit dem Resonator zu bringen, ist es vorteilhaft, wenn die Lnge des Resonators verndert
werden kann. Um die Referenzfrequenz fr einen Laserscan zu ndern, kann man z.B. den Resonator
lngenvernderbar machen, indem man ein Piezoelement einbaut. Das ist sicherlich die
einfachste Mglichkeit. Aufgrund der verschiedenen Materialeigenschaften, d.h. verschiedene
Ausdehungskoeffizienten, ist dies allerdings fr die Stabilitt meist nachteilig. Zustzlich mu die
fr den Betrieb des Piezoelements notwendige Spannung hinreichend stabil sein, um kein zustzliches
Frequenzrauschen zu produzieren. Eine andere Mglichkeit ist, mit Hilfe eines elektrooder
akustooptischen Modulators ein Seitenband des Lasers zu erzeugen, das man dann auf den
Resonator stabilisiert. Dann lt sich der Laser leicht durch Variation der Modulationsfrequenz
durchstimmen und man kann einen festen Resonator benutzen. Diese Methode ist also vorzuziehen,
aber technisch aufwendiger und teurer. Darber hinaus verliert man Laserleistung, da
man nicht die volle Leistung in das Seitenband transferieren kann.
Hat man einen ausreichend stabilen Resonator, braucht man eine Methode zur Erzeugung
des Fehlersignals. Hierzu gibt es verschiedene Verfahren, von denen einige kurz beschrieben
werden sollen. Generell mchte man ein lineares Fehlersignal, d.h. bei dem der Fehlerwert linear
von der Frequenzabweichung abhngt. Die Steilheit des Signals, die fr die erzielbare Regelgenauigkeit
verantwortlich ist, und der resultierende Fangbereich sollten unabhngig voneinander
whlbar sein. Grundstzlich sollte das System einfach und robust sein. Die fr die Stabilisierung
bentigte Leistung sollte mglichst gering sein, damit man den Groteil der Leistung fr das Experiment
zur Verfgung hat. Dies gilt besonders, wenn man mit Lasern geringer Ausgangsleistung
arbeitet.