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Wilken, Tobias (2010): Calibrating Astronomical Spectrographs with Frequency Combs. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Frequenzkamm entwickelt, um astronomische Spektrographen besser kalibrieren zu können. Im Jahr 1999 hat die Entwicklung des Frequenzkamms den Bereich der Präzisionsspektroskopie revolutioniert. Mit seiner Hilfe wurde die Messung von Übergängen in atomaren Systemen mit zuvor unerreichter Genauigkeit möglich, was 2005 mit dem Nobelpreis für Theodor W. Hänsch und John Hall gewürdigt wurde. In dieser Zeit wurde am 3.6m Teleskop in La Silla, Chile der HARPS Spektrograph in Betrieb genommen. Er besitzt bis heute die höchste Sensitivität um die Beschleunigung kosmischer Objekte zu detektieren. Diese wird aus einer Änderung der Rotverschiebung des Lichts geschlossen. Die Präzision, mit der Frequenzänderungen gemessen werden können, ist momentan begrenzt durch die Kalibrationsquellen. Für die Entdeckung erdähnlicher Planeten über ihren Rückstoss oder gar die direkte Beobachtung der beschleunigten Ausdehnung unseres Universums ist diese Genauigkeit jedoch unzureichend. Nur durch den Einsatz neuartiger Kalibrationsquellen kann eine ausreichende Sensitivität auf Änderungen der Rotverschiebung erreicht werden. Daher wurde in 2005 eine Zusammenarbeit zwischen der Europäischen Südsternwarte (ESO) und dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) initiiert um einen Frequenzkamm zu entwickeln, der für die nächste Generation von Spektrographen als Kalibrationsquelle dienen kann. In dieser Arbeit wurde ein Yb-Faserlaser entworfen und erstmals zu einem Frequenzkamm inklusive Detektion und Stabilisierung der Offset-Frequenz weiterentwickelt. Um die einzelnen Kalibrationslinien des Kamms mit einem astronomischen Spektrographen auflösen zu können, musste der Modenabstand erhöht werden. Dazu wurden Fabry-Pérot Resonatoren als schmalbandige Filter entwickelt. Schliesslich musste der spektrale Bereich des Spektrographen von 400-700nm abgedeckt werden, was durch spektrale Verbreiterung in speziell entwickelten, mikrostrukturierten Fasern erreicht wurde. Mehrere Entwicklungsstufen dieses Systems wurden an einem Spektrographen auf Teneria und an HARPS getestet. Dabei konnte jeweils gezeigt werden, dass der Frequenzkamm die erwarteten Spezifikationen erfüllt und traditionelle Kalibrationsquellen in ihrer Sensitivität auf Frequenzabweichungen übertrifft. Frequenzänderungen von 200 kHz konnten detektiert werden, was einer Sensitivität auf Geschwindigkeitsänderungen von kosmischen Objekten von 10 cm/s entspricht. Ca. 30% des spektralen Bereiches des HARPS Spektrometers konnten abgedeckt werden und mit verbesserter spektraler Verbreiterung ist das Erreichen des gesamten Bereichs mit der nächsten Entwicklungsstufe realistisch. Durch den Einsatz eines solchen, verbreiterten Frequenzkamms an Spektrographen der nächsten Generation werden Geschwindigkeitsänderungen eines kosmischen Objekts von nur 1 cm/s detektierbar. Dies wird die Durchführung der ambitionierten Beobachtugen ermöglichen, die in der Astronomie innerhalb der nächsten Jahrzehnte geplant sind.