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Lexikon der Optik: Frequenzstabilisierung von Lasern

Frequenzstabilisierung von Lasern, Verfahren zum Konstanthalten der Schwingungsfrequenz von frei laufenden, nicht stabilisierten Lasern. Laserlichtquellen (Laser) besitzen im Einmodenbetrieb ein sehr schmales Frequenzspektrum. Die genaue Lage der Laserfrequenz wird dabei durch die Länge des Laserresonators bestimmt (optischer Resonator), da die Linienbreite des Resonators im allgemeinen wesentlich schmaler als das Verstärkungsprofil der Atom- bzw. Moleküllinien im Lasermedium ist. Die durch Änderungen der Resonatorlänge verursachten Frequenzschwankungen sind daher bei einem frei laufenden Laser bedeutend größer als die unvermeidlichen, durch quantenmechanische Schwankungserscheinungen beim Ausstrahlungsvorgang bedingten Fluktuationen von Phase und Frequenz. Man unterscheidet Kurzzeit- und Langzeitschwankungen. Die kurzzeitigen Schwankungen der Laserfrequenz, die im wesentlichen die Kohärenzlänge des Laserlichtes bestimmen, werden überwiegend durch mechanische und akustische Störungen des Resonatoraufbaus sowie durch Schwankungen des Brechungsindexes des Lasermediums verursacht. Die langsamen Frequenzdriften sind dagegen vorwiegend thermischen Ursprungs. Die Methoden der passiven F. v. L. sind darauf gerichtet, diese Frequenzschwankungen durch geeignete konstruktive Maßnahmen so klein wie möglich halten. Dazu gehören z.B. ein mechanisch stabiler Laseraufbau, eine wirksame Abschirmung gegen äußere akustische und elektromagnetische Störeinflüsse sowie die Verwendung von Resonatormaterialien mit möglichst geringer thermischer Ausdehnung. Derartige Maßnahmen einer passiven Stabilisierung sind auch Voraussetzung für jede aktive F. v. L., um die Anforderungen an das dabei verwendete elektronische Regelsystem in Grenzen zu halten. Bei der aktiven F. v. L. wird zumeist eine möglichst schmale und unveränderliche Referenzlinie benutzt, um die Laserfrequenz durch Steuerung der Resonatorlänge mit einem elektronischen Regelsystem auf das Zentrum der Referenzlinie zu fixieren. Als Referenzlinie für eine aktive F. v. L. werden z.B. der Lamb-dip im verstärkenden Medium eines Gaslasers oder auch die Resonanzlinie eines äußeren stabilen Resonators benutzt.

Ein besonders wirkungsvolles Verfahren ist die Stabilisierung auf den inversen Lamb-dip, der sehr schmale Referenzlinien und damit extrem hohe Stabilisierungswerte ermöglicht. Für Anwendungen in der Metrologie, z.B. als Längen- und Zeitstandard, ist die dabei erreichbare hohe Reproduzierbarkeit der Laserfrequenz von besonderer Bedeutung.

Mit der Entwicklung geeigneter Empfänger für den Heterodyn-Strahlungsnachweis hat ein Verfahren der aktiven F. v. L. Verbreitung gefunden, bei dem die Stabilität von einem hochstabilen Referenzlaser auf einen anderen Laser in einem benachbarten Frequenzbereich übertragen wird. Mischt man z.B. die Frequenzen dieser beiden Laser mit geeigneten Harmonischen einer stabilen Mikrowellenfrequenz (z.B. eines Klystrons) in einer Punktkontaktdiode, so erhält man ein niederfrequentes Ausgangssignal, das man zur Messung der unbekannten Laserfrequenz sowie zu ihrer gezielten Einstellung und Stabilisierung benutzen kann (Frequenzmessung).

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