EUV-Frequenzkamm jetzt fit für Spektroskopie

  • 02. February 2012

Extrem-ultraviolette Anregungsfrequenzen von Argon und Neon unerreicht genau gemessen.

Optische Frequenzkämme haben die Präzisionsspektroskopie einen großen Schritt vorangebracht. Mit ihrer Hilfe hat man atomare Anregungsfrequenzen im optischen Bereich mit einer Genauigkeit von 10-15 gemessen. Dies eröffnet vielfältige Möglichkeiten wie den Bau extrem genauer, optischer Atomuhren oder das Aufspüren möglicher Änderungen der Naturkonstanten. Jetzt ist es Forschern am JILA in Boulder gelungen, mit einem Frequenzkamm auch atomare Anregungsfrequenzen im UV-Bereich sehr genau zu bestimmen.

Ein Frequenzkamm für extremes UV-Licht

Abb.: Ein Frequenzkamm für extremes UV-Licht: Die höheren Harmonischen, die durch Bestrahlung von Atomen (hier: Xenon) mit einem IR-Frequenzkamm entstehen, werden mit einem Beugungsgitter voneinander getrennt (links). Von den höheren Harmonischen, die ihrerseits UV-Frequenzkämme sind, wird eine auf Argon- oder Neonatome gerichtet. Eine bestimmte Zinke dieses UV-Frequenzkamms regt die Atome an, woraus sich deren Anregungsfrequenz ergibt (unten Mitte; Bild: JILA)

Während sich Radiofrequenzen, wie sie Cäsiumatomuhren nutzen, noch elektronisch auszählen lassen, muss man für die hunderttausendmal höheren optischen Frequenzen anders vorgehen. Hier helfen optische Frequenzkämme, für deren Entwicklung John Lewis Hall und Theodor Hänsch im Jahr 2005 den Physik-Nobelpreis erhielten. Die Frequenz fn der n-ten Zinke eines solchen Frequenzkamms ist durch eine einfache Formel gegeben: fn = n∙fw + f0, dabei sind fw und f0 sehr genau bekannte Radiofrequenzen, während n eine große ganze Zahl ist, die sich präzise bestimmen lässt.

Um den Kamm herzustellen, erzeugt man mit einem Laser eine unendliche Folge von ultrakurzen Pulsen mit der Pulswiederholfrequenz fw. Dazu lässt man einen Laserpuls zwischen mehreren Umlenkspiegeln zirkulieren, koppelt ihn dabei teilweise aus und macht die Verluste durch den mit dem umlaufenden Puls synchronisierten Laser wett. Mit einem optischen Dauerstrichlaser wird der Frequenzkamm stabilisiert. Dann stimmt man eine Zinke des Kamms auf die zu messende optische Frequenz ab und ermittelt sie mit großer Genauigkeit, indem man den Index n der Zinke bestimmt.

Seit einigen Jahren gibt es auch Frequenzkämme für extremes UV-Licht. Da man in diesem Spektralbereich keine geeigneten Laser hat, geht man indirekt vor und erzeugt mit einem infraroten Frequenzkamm höhere Harmonische durch Anregung eines Plasmas. Ein intensiver Puls des Frequenzkamms ionisiert Atome und beschleunigt anschließend die losgerissenen Elektronen im Takt des Laserfeldes. Dabei wird gepulste Strahlung abgegeben, deren Frequenzen ungerade höhere Harmonische der Laserfrequenz sind. Die Strahlungsintensität in den einzelnen Zinken der dabei entstehenden UV-Frequenzkämme war jedoch bisher zu schwach, als dass man damit spektroskopische Messungen hätte durchführen können. Dieses Problem haben Jun Ye am JILA in Boulder und seine Kollegen jetzt gelöst.

Die Forscher haben den Hohlraum, in dem der Laserpuls zirkulierte, optimiert, um eine hohe Pulsintensität aufzubauen. Der infrarote Laserpuls kreuzte einen Strahl von Xenon- oder Kryptonatomen, die er ionisierte und zur Abstrahlung höherer Harmonischer brachte, die ein Beugungsgitter aus dem infraroten Laserlicht auskoppelte und voneinander trennte. Für Xenon beobachten die Wissenschaftler noch die 23. Harmonische, für Krypton sogar die 25. und die 27. Harmonische.

Dabei sorgten die JILA-Forscher dafür, dass das entstehende Plasma sich nicht nachteilig auf die Kohärenz des Laserlichts auswirkte. So bildete jede der höheren Harmonischen einen intensiven und zugleich robusten Frequenzkamm. Dabei lagen die gemessenen Lichtintensitäten mehr als eine Größenordnung über den bei früheren Experimenten erreichten Intensitäten. Die Zinken der Frequenzkämme waren recht schmal und hatten eine Breite von nur 11 MHz.

Mit solch einem UV-Frequenzkamm haben Jun Ye und seine Kollegen die Frequenzen bestimmter elektrischer Dipolübergänge von Argon und Neon gemessen, deren Wellenlängen mit etwa 82 nm bzw. 63 nm im UV-Bereich liegen. Dazu regten sie die Atome mit einer Zinke des Frequenzkamms der 13. Harmonischen zur Resonanzfluoreszenz an und bestimmten dann die Frequenz der Zinke. Indem sie den Index der Zinke ermittelten, erhielten sie etwa für die ausgewählte Anregungsfrequenz des Argons: f = 3.655.454.073 ± 3 MHz. Dieses Resultat stimmt gut mit den Ergebnissen früherer Messungen überein, die allerdings nur eine Genauigkeit von 2,3 GHz hatten.

Die neuen UV-Frequenzkämme stellen somit eine robuste Verbindung zwischen dem Radiofrequenzbereich und dem extremen UV her. Die schon jetzt erreichte Präzision bei der Frequenzmessung ist vielversprechend. Auch für die Beobachtung der Naturkonstanten eröffnen die UV-Frequenzkämme neue Möglichkeiten. Da die UV-Anregungsfrequenzen in mehrfach geladenen Ionen empfindlicher von Variationen der Feinstrukturkonstanten α abhängen als optische Anregungsfrequenzen, könnten sich mögliche Änderungen von α an solchen Ionen mit Hilfe von UV-Frequenzkämmen leichter beobachten lassen. Man darf gespannt sein, welche weiteren Anwendungen die UV-Frequenzkämme finden.

Rainer Scharf

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