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Lexikon der Optik: Frequenzmessung

Frequenzmessung, die Bestimmung der Zahl der Schwingungen, die während einer Sekunde stattfinden. Da nach einer Festlegung aus dem Jahre 1967 "die Sekunde gleich der Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung eines Caesium-133-Atoms ist, die dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes entspricht", läuft eine Absolutmessung der Frequenz auf ihren Vergleich mit einer Mikrowellenfrequenz von rund 9 GHz hinaus. Da optische Frequenzen etwa um den Faktor 60000 größer sind, stößt deren Messung auf erhebliche Schwierigkeiten. Ein Anschluß einer monochromatischen Strahlungsquelle im optischen Bereich an den Cs-Frequenzstandard kann nur über Zwischenschritte, d.h. durch Aufbau einer Frequenzkette erfolgen. Benötigt werden hierfür frequenzstabile Lichtquellen unterschiedlicher Frequenz. Derartige Lichtquellen stehen tatsächlich zur Verfügung, seit die Frequenzstabilisierung von Lasern auf atomare bzw. molekulare Übergangsfrequenzen gelungen ist. Da es sich dabei um die von der Doppler-Verbreiterung befreiten Übergangsfrequenzen handelt, sind die Oszillationsfrequenzen der Laser außerordentlich scharf und überdies reproduzierbar einstellbar. Der Aufbau einer vom Cs-Frequenzstandard ausgehenden Frequenzkette erfordert weiterhin einen genauen Frequenzvergleich. Dieser erfolgt durch optische Mischung in einem Photodetektor (optischer Überlagerungsempfang). Für diesen Zweck eignen sich in hervorragender Weise Punktkontaktdioden, im besonderen die MIM-Dioden. Mit ihnen lassen sich nicht nur die üblichen Schwebungsfrequenzen (Differenzfrequenzen |ν12|) messen, wie sie bei Einfall zweier frequenzmäßig benachbarter Strahlungen der Frequenz ν1 bzw. ν2 in Erscheinung treten, sondern auch sehr viel allgemeinere Schwebungsfrequenzen der Form νSchwlν1±mν2±nν3±..., wobei ν1, ν2, ν3, ... die Frequenzen der gleichzeitig auf die Detektorfläche fallenden Strahlungen und l, m, n, ... positive ganze Zahlen bezeichnen (optische Mischung höherer Ordnung). Ist eine der beteiligten Lichtquellen durchstimmbar (z.B. ein Klystron), so kann man sie so einstellen, daß νSchw gerade verschwindet, andernfalls kann durch elektronische Messung von νSchw ein sehr präziser Frequenzvergleich vorgenommen werden. Im nahen IR- sowie im sichtbaren Bereich kann man dann in nichtlinearen Kristallen durch Harmonischenerzeugung und Summenfrequenzerzeugung kürzerwellige Strahlung direkt erzeugen, deren Frequenz genau bekannt ist, wenn das für die Frequenz der Ausgangsstrahlung(en) der Fall ist.

Mit den genannten Hilfsmitteln wurden unterschiedliche Frequenzketten realisiert, die z.T. bis in den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums reichen. Wegen der Stabilisierung der Laser auf atomare bzw. molekulare Übergangsfrequenzen ist es, genau genommen, die Frequenz dieser Übergänge, die dabei absolut gemessen wird.

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