Ionen in einer linearen Paulfalle - ArchiMeD

50 Kapitel 5. Experimenteller Aufbau
verglichen, der aus einer Quarzrhre als Abstandshalter und einem Piezoelement besteht. Es wird
eine konfokale Geometrie eingesetzt. Der Krmmungsradius der Spiegel betrgt R = 800mm und
ist gleich ihrem Abstand. Der freie Spektralbereich ist 187,5MHz. Die Reflektivitt der Spiegel
ist R ≥ 99%, so da sich eine Finess von F = 300 ergibt, experimentell wurde eine Finesse von
315 ermittelt. Der Resonator wird ber die Piezospannung moduliert und das Transmissionssignal
wird mit Lock-in Technik detektiert. In unserem Fall wurde eine Modulationsfrequenz
von 4,6kHz gewhlt, die noch problemlos erhht werden kann. Ein Limit ist letzlich durch die
Bandbreite des Piezos gegeben. Es wir allerdings erwartet, da die vorhandene Bandbreite zur
Regelung langsamer Drifts ausreicht. Als Lock-in Verstrker wird eine selbstentwickelte Schaltung
eingesetzt, die auf dem AD 630 Chip von Analog Devices basiert, mit dem man kompakt
und preiswert einen Lock-in Verstrker realisieren kann. Damit man die Frequenzen der beiden
Laser vergleichen kann, mssen sie innerhalb eines freien Spektralbereichs des Resonators bereinstimmen.
Da der Helium-Neon Laser nicht durchstimmbar ist und die Diodenlaserfrequenz
durch das Ion vorgegeben ist, wird mit einem akustooptischen Modulator (AOM) ein Seitenband
des HeNe-Lasers erzeugt, das dann in den Resonator eingekoppelt wird. Die maximale
Frequenzverschiebung mit dem AOM ist dabei dem freien Spektralbereich des Resonators angepat.
Um dies mit unserem AOM zu erreichen, mu er im double pass betrieben werden, d.h.
der Strahl durchluft den AOM zweimal. Nach dem ersten Durchlauf wird er um φ abgelenkt
und um ∆ AOM frequenzverschoben. Dann wird er in sich selbst zurckreflektiert, so da er den
AOM nochmals passiert. Dadurch hat man die doppelte Frequenzverschiebung ∆ν = 2∆ AOM
und auerdem hebt sich die Winkelablenkung des frequenzverschobenen Strahls auf. Allerdings
mu man den frequenzverschobenen Strahl vom einlaufenden ber die Polarisation trennen. Dazu
wird ein λ/4-Plttchen so in den Strahlengang gebracht, da die Polarisation des zweimal frequenzverschobenen
Strahls um 90 gegenber dem einlaufenden Strahl gedreht ist. Dann knnen
die Strahlen mit einem polarisierenden Strahlteiler getrennt werden und nur der verschobene
Strahl wird in den Resonator eingekoppelt. Auf hnliche Weise geht man bei den beiden Laser
vor, die durch den gleichen Resonator justiert werden. Man verwendet senkrecht zueinander
liegende (lineare) Polarisation, um sie unterscheiden zu knnen. Mit Hilfe eines polarisierenden
Strahlteilers nach dem Resonator werden die beiden Signale getrennt und mit je einer Photodiode
nachgewiesen. Sie werden dann in einen 2-Kanal-Lock-in gegeben. Um die Stabilitt des
Helium-Neon Lasers auf den Diodenlaser zu bertragen, geht man folgendermaen vor: Im ersten
Schritt wird der Resonator auf den Helium-Neon Laser stabilisiert, d.h. dessen Stabilitt
wird auf den Resonator bertragen, um die Drift des Resonators auszuregeln. Anschlieend wird
der Diodenlaser auf den Resonator stabilisiert. Man hat zwei verschiedene Regelkreise, die zusammen
arbeiten mssen, damit die Regelung funktioniert. Hat man eine kontinuierliche Drift,
weil sich beispielsweise die Raumtemperatur permanent erhht, so erreicht man einen Anschlag,
wenn die Ausdehnung des Piezos nicht mehr gengt, die Drift zu kompensieren. Die Regelgeschwindigkeit
mu im Allgemeinen nicht besonders hoch sein, da Drifts meist langsam sind.
Die Anforderungen an die Stabilitt des Resonators mu differenziert betrachtet werden. Auf den
ersten Blick erwartet man, da der Resonator keine besonderen Anforderungen erfllen mu, da er
ja geregelt wird. Das bedeutet aber, da nur solche Strungen toleriert werden knnen, die von der
Regelung auf den HeNe-Laser ausgeregelt werden knnen. Da der Resonator sehr lang ist, ist besonders
die mechanische Stabilitt ein Problem, aber auch die Lngennderung und die nderungen
des Brechungsindex knnen eine Rolle spielen, wenn sie schnell sind. Deshalb ist der Resonator
in einem Zylinder untergebracht, der evakuiert werden kann.