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FM-Sättigungsspektroskopie

Kompaktes Modul für Sättigungsspektroskopie mit Frequenzmodulation (FM)

TEM Messtechnik stellt eine sehr kompakte und robuste FM-Spektroskopieeinheit vor, mittels derer man cw-Laser auf das Hyperfeinabsorptionsspektrum des Jodmoleküls stabilisieren kann.

Für den Einsatz von cw-Einzelfrequenzlasern in der Hochpräzisionsmesstechnik ist in vielen Fällen eine genaue Bestimmung (und manchmal sogar Stabilisierung) ihrer Schwingungsfrequenz Voraussetzung. Glücklicherweise liefert uns die Natur allgegenwärtige Standards, auf die optische Frequenzen bezogen werden können: Elektronische Übergänge in Atomen und Molekülen fallen oft mit der Emission oder Absorption von Licht in einem engen Frequenzintervall („Spektrallinien“) zusammen. Eine optische Frequenz zu bestimmen bedeutet also einfach, die Emission oder Absorption des Lichts durch die Materie nachzuweisen („Spektroskopie“). Der jodstabilisierte Helium-Neon-Laser ist eines der Lehrbuchbeispiele für diese Methode.

Für sichtbares Licht ist ein Dampf aus Jodmolekülen ein guter Kandidat für ein solches Frequenznormal, da er ein dichtes Linienspektrum bis zu 583 THz (bis 514 nm) mit einer natürlichen Linienbreite von nur ~380 kHz liefert. Seine optischen Eigenschaften wurden daher eingehend untersucht. Das BIPM [Bureau International des Poids et Mesures] empfiehlt sogar, bestimmte Absorptionslinien für die Realisierung des Messgeräts zu verwenden (als ein bestimmtes Vielfaches der Wellenlänge eines auf die Jodabsorptionsfrequenz stabilisierten Lasers), zum Beispiel die a10-Komponente des Übergangs R(56)32-0 bei 563 260 224 MHz.

TEM Messtechnik kombiniert die FM-Spektroskopieeinheit mit ihrer volldigitalen LaseLock®-Steuerelektronik, um abstimmbare cw-Laser auf bestimmte Absorptionslinien zu fixieren. Das System verwendet die FM-Sättigungsabsorptionstechnik mit einem amplitudenmodulierten Pumpstrahl und einer elektrooptischen Seitenbandgenerierung im Sondenstrahl, um die Hyperfeinstruktur des Jodspektrums aus dem Doppler-verbreiterten Hintergrund zu extrahieren.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass lediglich das Licht im Messtrahl moduliert wird, das Licht im Nutzstrahl des Lasers dagegen nicht.

FM-Sättigungsspektroskopie

Kompaktes Modul für Sättigungsspektroskopie mit Frequenzmodulation (FM)

Eine geeignete Lichtquelle zur Realisierung eines jodstabilisierten cw-Lasers ist der diodengepumpte Nd:YAG-Laser Prometheus von Coherent, da sein monolithisches Design eines nichtplanaren Ringoszillators (NPRO) ein extrem niedriges Frequenzrauschen der emittierten Lichtwelle gewährleistet. Der Laser emittiert infrarotes Licht bei 1064 nm, das anschließend durch einen nichtlinearen optischen Effekt (SHG) in einem Kristall in grünes Licht (532 nm) umgewandelt wird.

Die Genauigkeit und Stabilität des FM-Spektroskopiesystems von TEM Messtechnik wurde mit dem optischen Frequenzkammgenerator in der PTB (Arbeitsgruppe 4.43) bewertet, bei dem die Referenzfrequenz von einem Wasserstoffmaser abgeleitet wird, der wiederum auf eine Caesium-Fontänenuhr referenziert wird.

Abbildung: Modifizierte Allan-Abweichung der stabilisierten Laserfrequenz von ihrem Mittelwert über 20h

In einer mehr als 20-stündigen Aufzeichnung hielt die Regelung durch das LaseLock® den Laser mit einer absoluten Abweichung von nur -20,1 kHz vom BIPM-Empfehlungswert in der Mitte der Absorptionslinie fest. Die relative Stabilität betrug ~10-13 (modifizierte Allan-Abweichung, gemittelt über 1s) bis zu 3-10-14 (gemittelt über 1000s). Der letztgenannte Wert entspricht 17 Hz im grünen und 8,5 Hz im infraroten Bereich.

Preise (EU-Länder):

Iodine FM spectroscopy unit – on request

8 % Preisaufschlag für nicht europäische Länder zuzüglich Versand und ggf. Importzoll/-Steuern im Bestimmungsland.