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 Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?
16.07.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

nachricht Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen
13.07.2018 | Technische Universität München

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: Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

„Wir haben jetzt ein klares Bild davon, wie das heiße Atomgitter und die kalten magnetischen Spins eines ferrimagnetischen Nichtleiters miteinander ins Gleichgewicht gelangen“, sagt Ilie Radu, Wissenschaftler am Max-Born-Institut in Berlin. Das internationale Forscherteam fand heraus, dass eine Energieübertragung sehr schnell stattfindet und zu einem neuartigen Zustand der Materie führt, in dem die Spins zwar heiß sind, aber noch nicht ihr gesamtes magnetisches Moment verringert haben. Dieser „Spinüberdruck“ wird durch wesentlich langsamere Prozesse abgebaut, die eine Abgabe von Drehimpuls an das Gitter ermöglichen. Die Forschungsergebnisse sind jetzt in "Science Advances" erschienen.

Magnete faszinieren die Menschheit bereits seit mehreren tausend Jahren und sind im Zeitalter der digitalen Datenspeicherung von großer praktischer Bedeutung....

Im Focus: Erste Beweise für Quelle extragalaktischer Teilchen

Zum ersten Mal ist es gelungen, die kosmische Herkunft höchstenergetischer Neutrinos zu bestimmen. Eine Forschungsgruppe um IceCube-Wissenschaftlerin Elisa Resconi, Sprecherin des Sonderforschungsbereichs SFB1258 an der Technischen Universität München (TUM), liefert ein wichtiges Indiz in der Beweiskette, dass die vom Neutrino-Teleskop IceCube am Südpol detektierten Teilchen mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Galaxie in vier Milliarden Lichtjahren Entfernung stammen.

Um andere Ursprünge mit Gewissheit auszuschließen, untersuchte das Team um die Neutrino-Physikerin Elisa Resconi von der TU München und den Astronom und...

Im Focus: First evidence on the source of extragalactic particles

For the first time ever, scientists have determined the cosmic origin of highest-energy neutrinos. A research group led by IceCube scientist Elisa Resconi, spokesperson of the Collaborative Research Center SFB1258 at the Technical University of Munich (TUM), provides an important piece of evidence that the particles detected by the IceCube neutrino telescope at the South Pole originate from a galaxy four billion light-years away from Earth.

To rule out other origins with certainty, the team led by neutrino physicist Elisa Resconi from the Technical University of Munich and multi-wavelength...

Im Focus: Magnetische Wirbel: Erstmals zwei magnetische Skyrmionenphasen in einem Material entdeckt

Erstmals entdeckte ein Forscherteam in einem Material zwei unabhängige Phasen mit magnetischen Wirbeln, sogenannten Skyrmionen. Die Physiker der Technischen Universitäten München und Dresden sowie von der Universität zu Köln können damit die Eigenschaften dieser für Grundlagenforschung und Anwendungen gleichermaßen interessanten Magnetstrukturen noch eingehender erforschen.

Strudel kennt jeder aus der Badewanne: Wenn das Wasser abgelassen wird, bilden sie sich kreisförmig um den Abfluss. Solche Wirbel sind im Allgemeinen sehr...

Im Focus: Neue Steuerung der Zellteilung entdeckt

Wenn eine Zelle sich teilt, werden sämtliche ihrer Bestandteile gleichmässig auf die Tochterzellen verteilt. UZH-Forschende haben nun ein Enzym identifiziert, das sicherstellt, dass auch Zellbestandteile ohne Membran korrekt aufgeteilt werden. Ihre Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Behandlung von Krebs, neurodegenerative Krankheiten, Alterungsprozessen und Virusinfektionen.

Man kennt es aus der Küche: Werden Aceto balsamico und Olivenöl miteinander vermischt, trennen sich die beiden Flüssigkeiten. Runde Essigtropfen formen sich,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Interdisziplinäre Konferenz: Diabetesforscher und Bioingenieure diskutieren Forschungskonzepte

13.07.2018 | Veranstaltungen

Conference on Laser Polishing – LaP: Feintuning für Oberflächen

12.07.2018 | Veranstaltungen

Materialien für eine Nachhaltige Wasserwirtschaft – MachWas-Konferenz in Frankfurt am Main

11.07.2018 | Veranstaltungen

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

Mister Raney bekommt Konkurrenz - Ein neuer Katalysator auf Nickel-Basis nutzt Nano-Strukturen

16.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Was passiert, wenn wir das Atomgitter eines Magneten plötzlich aufheizen?

16.07.2018 | Physik Astronomie

Rostocker Forscher testen neue Generation von Offshore-Windenergie-Anlagen

16.07.2018 | Energie und Elektrotechnik

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