Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Reisetauglicher Laser

22.01.2018

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) hat eine Frequenzverdopplungseinheit für transportable Laser entwickelt

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist in Deutschland für die Aussendung der gesetzlichen Zeit, etwa für Funkuhren, zuständig. Dazu betreibt sie einige der besten Cäsium-Atomuhren der Welt. Gleichzeitig werden hier schon mehrere Atomuhren der nächsten Generation entwickelt. Diese Uhren basieren nicht mehr auf einem Mikrowellenübergang in dem Element Cäsium, sondern auf anderen Atomen, die mit optischen Frequenzen angeregt werden. Einige dieser neuen Uhren sind sogar transportabel.


Die Laser-Aufbauten der optischen Aluminiumuhr, die am QUEST-Institut an der PTB entwickelt wird.

(Abb.: PTB)

Auch die optische Aluminium-Uhr, die am QUEST-Institut an der PTB entsteht, soll unter anderem dazu genutzt werden, außerhalb des Labors physikalische Phänomene wie die von Einstein vorhergesagte Rotverschiebung zu messen. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass die notwendigen Laser dem Transport standhalten.

Daher haben PTB-Physiker eine Frequenzverdopplungseinheit entwickelt, die auch dann noch funktioniert, wenn sie mit dem Dreifachen der Erdbeschleunigung durchgeschüttelt wurde. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von „Review of Scientific Instruments“ veröffentlicht.

Bereits Einstein fand heraus, dass zwei Uhren, die sich an unterschiedlichen Stellen im Schwerefeld der Erde befinden, unterschiedlich schnell ticken. Was sich zunächst nach einer Skurrilität anhört, hat ganz praktische Anwendungen: So lässt sich mit zwei optischen Atomuhren, die eine extrem kleine relative Messunsicherheit von 10–18 aufweisen, der Höhenunterschied zwischen beliebigen Punkten auf der Erde auf einen Zentimeter genau messen.

Dieses sogenannte „chronometrische Nivellement“ stellt eine wichtige Anwendung von Uhren in der Geodäsie dar. Eine der Voraussetzungen dafür ist, dass sich die optischen Frequenzen der beiden Uhren z. B. über Glasfasern vergleichen lassen.

An der PTB werden gleich mehrere Atomuhren unterschiedlichen Typs entwickelt, die sich jeweils in einem Anhänger bzw. Container transportieren lassen. Der Betrieb außerhalb eines geschützten Labors bringt jedoch viele Herausforderungen mit sich: So ist die Umgebungstemperatur natürlich viel weniger stabil. Und beim Transport auf der Straße kann es zu erheblichen Erschütterungen kommen.

Deshalb können optische Aufbauten, die im Labor tadellos funktioniert haben, am Zielort zunächst unbrauchbar sein. Sie müssen in mühevoller Kleinarbeit wieder einjustiert werden, wodurch wertvolle Forschungszeit verloren geht.

Das letzte Problem betrifft insbesondere die portable Aluminiumuhr, die am QUEST-Institut entwickelt wird. Für sie werden unter anderem zwei UV-Laser bei 267 nm benötigt. Für diese Wellenlänge lässt sich nicht einfach eine Laserdiode kaufen. Stattdessen muss jeweils ein langwelliger Infrarotlaser zweimal hintereinander frequenzverdoppelt werden. Hierbei wird das Licht in einem geschlossenen Ring aus vier Spiegeln eingekoppelt, sodass in ihm eine hohe optische Leistung zirkuliert.

Ein darin platzierter nichtlinearer Kristall wandelt das zirkulierende Licht in Licht der halben Wellenlänge um. Es verlässt dank der dichroitischen Beschichtung der Spiegel den Resonator und wird dann zur Abfrage der Uhr verwendet. Für diesen sogenannten Frequenz-Verdopplungsresonator wurde am QUEST-Institut ein Design entwickelt, das auf einem monolithischen und damit hochstabilen Rahmen basiert, an dem alle Spiegel und der Kristall befestigt sind. Nach außen ist der Aufbau gasdicht abschlossen, um den gegenüber kleinsten Verunreinigungen hochempfindlichen Kristall zu schützen.

Die Entwickler des Resonators konnten an einem Prototyp demonstrieren, dass sie auch dann Laserlicht frequenzverdoppelt, während sie Beschleunigungen von 1 g ausgesetzt ist. Zusätzlich wurde gezeigt, dass selbst eine 30-minütige Beschleunigungsphase mit bis zu 3 g die Effizienz der Frequenzverdopplung nicht beeinträchtigt. Das entspricht dem Fünffachen des Wertes, der in der Norm ISO13355:2016 für Straßentransporte auf Lastkraftwagen angegeben ist. Jedoch ist der Resonator nicht nur mechanisch robust, sondern genauso effizient wie vergleichbare Systeme von Forschungsgruppen anderer Institute. Zudem wurde ein ununterbrochener Dauerbetrieb von 130 Stunden demonstriert.

Angesichts dieser Eigenschaften wurden mehrere dieser Verdopplungsresonatoren für verschiedene (nicht nur UV-) Wellenlängen am QUEST-Institut zum festen Bestandteil unterschiedlicher quantenoptischer Experimente, um diese zuverlässig mit Laserlicht zu versorgen. Zudem hat eine deutsche Optomechanik-Firma das Design lizenziert, um es als Basis für ein kommerzielles Produkt zu nutzen. Das Projekt wurde unterstützt durch die Deutsche Forschungsgesellschaft (Förderung CRC 1128 geo-Q, Projekt A03, CRC 1227 DQ-mat, Projekte B03 und B05) und die Leibniz-Gemeinschaft (SAW-2013-FBH-3).
es/PTB

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Piet O. Schmidt, QUEST, Telefon: (0531)592-4700, E-Mail: piet.schmidt@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
S. Hannig, J. Mielke, J. Fenske, M. Misera, N. Beef, C. Ospelkaus, P. O. Schmidt: A highly stable monolithic enhancement cavity for second harmonic generation in the ultraviolet.
Review of Scientific Instruments 89, 013106 (2018) - http://aip.scitation.org/journal/rsi

Zu der Veröffentlichung ist bei AIP auch ein sogenanntes „Scilight“ erschienen: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/sci/2018/3/10.1063/1.5021479

Dipl.-Journ. Erika Schow | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Lasing am Limit
15.02.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Forschung für die LED-Tapete der Zukunft
15.02.2018 | Universität Bremen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Eine Frage der Dynamik

Die meisten Ionenkanäle lassen nur eine ganz bestimmte Sorte von Ionen passieren, zum Beispiel Natrium- oder Kaliumionen. Daneben gibt es jedoch eine Reihe von Kanälen, die für beide Ionensorten durchlässig sind. Wie den Eiweißmolekülen das gelingt, hat jetzt ein Team um die Wissenschaftlerin Han Sun (FMP) und die Arbeitsgruppe von Adam Lange (FMP) herausgefunden. Solche nicht-selektiven Kanäle besäßen anders als die selektiven eine dynamische Struktur ihres Selektivitätsfilters, berichten die FMP-Forscher im Fachblatt Nature Communications. Dieser Filter könne zwei unterschiedliche Formen ausbilden, die jeweils nur eine der beiden Ionensorten passieren lassen.

Ionenkanäle sind für den Organismus von herausragender Bedeutung. Wenn zum Beispiel Sinnesreize wahrgenommen, ans Gehirn weitergeleitet und dort verarbeitet...

Im Focus: In best circles: First integrated circuit from self-assembled polymer

For the first time, a team of researchers at the Max-Planck Institute (MPI) for Polymer Research in Mainz, Germany, has succeeded in making an integrated circuit (IC) from just a monolayer of a semiconducting polymer via a bottom-up, self-assembly approach.

In the self-assembly process, the semiconducting polymer arranges itself into an ordered monolayer in a transistor. The transistors are binary switches used...

Im Focus: Erste integrierte Schaltkreise (IC) aus Plastik

Erstmals ist es einem Forscherteam am Max-Planck-Institut (MPI) für Polymerforschung in Mainz gelungen, einen integrierten Schaltkreis (IC) aus einer monomolekularen Schicht eines Halbleiterpolymers herzustellen. Dies erfolgte in einem sogenannten Bottom-Up-Ansatz durch einen selbstanordnenden Aufbau.

In diesem selbstanordnenden Aufbauprozess ordnen sich die Halbleiterpolymere als geordnete monomolekulare Schicht in einem Transistor an. Transistoren sind...

Im Focus: Quantenbits per Licht übertragen

Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht

Der Quantencomputer rückt näher: Neue Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial von Licht als Medium, um Informationen zwischen sogenannten Quantenbits...

Im Focus: Demonstration of a single molecule piezoelectric effect

Breakthrough provides a new concept of the design of molecular motors, sensors and electricity generators at nanoscale

Researchers from the Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the CAS (IOCB Prague), Institute of Physics of the CAS (IP CAS) and Palacký University...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Aachener Optiktage: Expertenwissen in zwei Konferenzen für die Glas- und Kunststoffoptikfertigung

19.02.2018 | Veranstaltungen

Konferenz "Die Mobilität von morgen gestalten"

19.02.2018 | Veranstaltungen

Von Bitcoins bis zur Genomchirurgie

19.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zukunft wird gedruckt

19.02.2018 | Architektur Bauwesen

Fraunhofer HHI präsentiert neueste VR- und 5G-Technologien auf dem Mobile World Congress

19.02.2018 | Messenachrichten

Stabile Gashydrate lösen Hangrutschung aus

19.02.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics