Neues Spiegel-Konzept macht Herstellung frequenzstabiler Laser einfacher

Ein neuartiges Spiegel-Konzept, das in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelt und bereits patentiert worden ist, ermöglicht es, Fabry-Perot-Resonatoren bei Zimmertemperatur zu betreiben, ohne dass das thermische Rauschen zum Problem wird. So können frequenzstabile Laser einfacher als bisher hergestellt werden. Interessante Anwendungen sind die Realierung optischer Uhren, die Übermittlung von Frequenzen in der Nachrichtentechnik oder die Ultrapräzisions-Spektroskopie.

Eine geringe Längenausdehnung auf der einen Seite, ein geringes thermisches Rauschen (vergleichbar zur Brownschen Molekularbewegung) auf der anderen – das war mit vertretbarem Aufwand nicht gleichzeitig zu bekommen. Daher wählte man bisher sowohl für die Spiegel als auch für die Abstandhalter in einem ultrastabilen Fabry-Perot-Resonator in der Regel Ultra-Low-Expansion(ULE)-Glas. Es weist bei ca. 20°C einen Nulldurchgang in seiner Längenausdehnung auf, sorgt aber für ein relativ hohes thermisches Rauschen im Spiegel, sodass dieser Faktor die Frequenzstabilität der Resonatoren limitiert. Die Alternative wäre ein Spiegel aus Quarzglas, der ein deutlich geringeres thermisches Rauschen aufweist, sich aber bei 20°C um ein Vielfaches mehr ausdehnt. Die unterschiedliche Temperaturausdehnung von Quarzglasspiegel und ULE-Abstandhalter führt zu einer Aufwölbung der Spiegel und verursacht eine Verschiebung des Nulldurchgangs der Längenausdehnung des Resonators auf bis zu -10°C. Eine Stabilisierung des Resonators auf diese Temperatur ist technisch sehr aufwendig.

Bei dem PTB-Patent wird an der Rückseite eines Quarzglasspiegels ein Ring aus ULE-Glas angebracht. Der Ring wirkt der Deformation des Spiegels entgegen, sodass sich der Nulldurchgang der Längenausdehnung des Resonators wieder bei 20°C befindet. Damit sind Fabry-Perot-Resonatoren mit deutlich verringertem thermischen Rauschen möglich, die gleichzeitig im Bereich der Zimmertemperatur eine verschwindend kleine Längenausdehnung aufweisen. Das neuartige Spiegelelement kann in Referenzresonatoren eingesetzt werden, die zur Stabilisierung von Lasersystemen dienen. Solche Lasersysteme erreichen eine relative Frequenzstabilität von bis zu 10-16 und können mit einer technisch einfachen Temperaturstabilisierung des Referenzresonators betrieben werden.

Für das Patent sucht die PTB im Rahmen des Technologietransfers Unternehmen als Verwertungspartner, die es lizensieren und so die Vorteile der Innovation in ein neues Produkt einfließen lassen.

Ansprechpartner:
Dr. Thomas Legero, PTB-Fachbereich 4.3 Quantenoptik und Längeneinheit,
Telefon: (0531) 592-4306, E-Mail: thomas.legero@ptb.de
Dr. Bernhard Smandek, PTB-Technologietransfer, Telefon: (0531) 592-8303,
E-Mail: bernhard.smandek@ptb.de, http://www.technologietransfer.ptb.de