Genaue Messungen mit Femtosekundenfrequenzkammen
In dieser Arbeit wurde die Femtosekunden (fs)-Frequenzkammtechnik, die in der Arbeitsgruppe von Prof. T. W. H\xe4nsch entwickelt wurde, angewendet, um die Genauigkeit nichtlinearer Prozesse zu \xfcberpr\xfcfen und eine m\xf6gliche zeitliche Ver\xe4nderung von Naturkonstanten nachzuweisen.\n\nEin Frequenzkamm ist das Spektrum eines regelm\xe4\xdfigen koh\xe4renten Pulszugs, der von einem modengekoppelten Laser ausgesendet wird. Die Frequenzen f_n der Kammoden sind durch f_n=f_ce+n*f_r gegeben. Dabei ist n eine nat\xfcrliche Zahl der Gr\xf6\xdfenordnung 10^6, f_r die Pulswiederholrate des Lasers und f_ce eine f\xfcr alle Moden gleiche Frequenzverschiebung. Wird das Spektrum eines fs-Lasers mit Hilfe einer mikrostrukturierten Glasfaser auf eine Oktave verbreitert, so k\xf6nnen die beiden Radiofrequenzen f_r und f_ce auf einfache Weise gemessen und kontrolliert werden. Einen fs-Frequenzkamm kann man sich dabei anschaulich als Getriebe vorstellen, der optische Frequenzen und Radiofrequenzen phasengenau miteinander verbindet.\n\nDas oktavenbreite Spektrum nach einer mikrostrukturierten\nGlasfaser wurde in dieser Arbeit dazu verwendet, um in einem\nnichtlinearen Kristall durch Summenfrequenzmischung (SFG) bzw. Differenzfrequenzmischung (DFG) zwei neue Frequenzk\xe4mme zu erzeugen, deren Frequenzverschiebung 2*f_ce (SFG) bzw.\nf_ce=0 (DFG) betr\xe4gt. Durch das Verschwinden von f_ce eignet sich der DFG-Kamm als stabiles Uhrwerk f\xfcr zuk\xfcnftige\noptische Uhren, von denen eine relative Genauigkeit von 10^(-18) erwartet wird, was etwa 1000 mal genauer ist als die besten Cs-Atomuhren der Welt. Ein Vergleich des erzeugten SFG- und DFG-Kamms mit dem Originalkamm gestattet dar\xfcber hinaus die \xdcberpr\xfcfung der Genauigkeit nichtlinearer Prozesse mit einer relativen Genauigkeit von 6,6*10^(-21), was verglichen mit fr\xfcheren Arbeiten eine 100 fache Verbesserung darstellt. Eine Abweichung von den erwarteten Werten konnte im Rahmen der Me\xdfgenauigkeit nicht beobachtet werden.\n\nIn Zusammenarbeit mit dem Wasserstofflabor in unserer\nArbeitsgruppe wurde die Frequenz des 1S-2S \xdcbergangs in\natomarem Wasserstoff zu 2466061413187087+-34 Hz gemessen, was einer relativen Genauigkeit von 1,4*10^(-14) entspricht. Damit geh\xf6rt die 1S-2S Frequenz zu den am besten bekannten optischen Frequenzen. F\xfcr ihre Messung wurde ein\nfs-Frequenzkammgenerator verwendet, der mit Hilfe der\ntransportablen Cs-Font\xe4nenuhr FOM des BNM-SYRTE/ENS, Paris\nstabilisiert wurde. Ein Vergleich mit der Messung aus dem Jahr 1999 ergibt eine relative zeitliche \xc4nderung der\n1S-2S Frequenz von (-3,2+-6,3)*10^(-15)/Jahr. Mit diesem Wert und optischen Frequenzmessungen am 199Hg+ bzw. 171Yb+ Ion, die am NIST in Boulder/Colorado bzw. an der PTB in Braunschweig durchgef\xfchrt wurden, konnte eine Obergrenze\nf\xfcr die gegenw\xe4rtige zeitliche \xc4nderung der Feinstrukturkonstante von (d/dt)alpha/alpha=(-0,3+-2,0)*10^(-15)/Jahr angegeben werden. Dieser Wert ist mit Null vertr\xe4glich. F\xfcr seine Herleitung wurden keine Annahmen \xfcber das zeitliche Verhalten der anderen Kopplungskonstanten gemacht. Die ermittelten Obergrenzen sind daher weitgehend modellunabh\xe4ngig.