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Gohle, Christoph (2006): A Coherent Frequency Comb in the Extreme Ultraviolet. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

In the course of this work, a system was designed and developed to nonlinearily convert a femtosecond frequency comb laser into the extreme ultraviolet (XUV) spectral range (120-30 nm). The optical frequency comb, for which the nobel prize 2005 was awarded to John Hall and Theodor W. Hänsch, has become an indispensable tool for high precision spectroscopy. With the aid of a mode locked femtosecond laser it is possible to directly and phase coherently link the radio frequency domain and the frequency range of visible light. Today's most accurate time standard, the cesium atomic clock operates in the former and therefore it became possible for the first time to compare arbitrary optical frequencies with our primary time standard and measure them with 15 digits of accuracy. Among other things, this method allowed one of the most accurate test of quantum electrodynamics (QED) today in the course of the determination of the 1S-2S transition frequency of atomic hydrogen that is carried out in one of our labs. But also experiments in the field of ultrafast physics rely on the frequency comb technique to generate precisely controlled optical waveforms. An especially intriguing possibility is to exploit the unique combination of high peak power in the megawatt range and the high spectral quality (on the order of 10^14) of single comb modes of a femtosecond frequency comb. To this end, in the method presented in this thesis, the femtosecond pulse train is coupled to an optical resonator of high finesse. With this trick, the field strength inside the resonator exceeds the driving lasers field by almost an order of magnitude. Enough to efficiently drive a nonlinear process of high order inside a medium of xenon atoms. As a result harmonics of the driving frequency comb up to 15\nth order are generated. The obtained field contains photons with energies exceeding 20~eV, a spectral region which is not or only hard to access by conventional continuous laser source. Therefore the presented XUV frequency comb source brings direct frequency measurements at such high photon energies into the realm of possibility for the first time. In particular, an improved version of the demonstrated source will be used to take the next step in an experiment with a long tradition in our group, the 1S-2S spectroscopy of atomic hydrogen. The generated frequency comb in the vicinity of 60~nm wave length will be used to probe the 1S-2S transition in singly charged helium, a hydrogen like system with larger nuclear charge. From such a measurement it can be expected that, compared to hydrogen, relativistic corrections from the QED theory become more important as the system has higher energies in general. For this reason this could lead to a test of QED with increased sensitivity. Other applications of such a compact and relatively simple coherent source of XUV radiation could be high resolution spectroscopy, XUV holography, but could also lie in the research area of ultrafast physics.

Abstract

Im Verlauf dieser Arbeit wurde ein System entworfen und gebaut, welches einen Femtosekunden-Frequenzkammlaser durch nichtlineare Konversion in den vakuumultravioletten (VUV) Spektralbereich (120-30 nm) überträgt. Der optische Frequenzkamm, für den im Jahr 2005 der Nobelpreis an John Hall und Theodor W. Hänsch verliehen wurde, ist ein unverzichtbares Werkzeug der Präzisionsspektroskopie geworden. Mit der Hilfe eines modengekoppelten Femtosekundenlasers ist es dabei möglich, die Radiofrequenzdomäne, in der die heutzutage genauesten Uhren arbeiten, und den Frequenzbereich des sichtbaren Lichtes miteinander zu verbinden. Damit wurde es erstmals möglich, beliebige optische Frequenzen direkt mit einer Cäsiumatomuhr, unserem primären Zeitstandard, zu vergleichen, sodass optische Frequenzen auf 15 Dezimalstellen genau bestimmt werden konnten. Unter anderem konnte mit dieser Methode einer der genauesten Tests der Quantenelektrodynamik (QED) im Rahmen der Bestimmung der 1S-2S Frequenz von atomarem Wasserstoff in einem unserer Labors durchgeführt werden. Aber auch neuartige Experimente in der Ultrakurzzeitphysik, welche eine präzise Kontrolle der optischen Wellenform benötigen, stützen sich auf die Frequenzkammtechnik. Die Frequenzkammtechnologie in neue Spektralbereiche auszudehnen bietet viele interessante Möglichkeiten. Insbesondere ist es nützlich, die einzigartige Kombination aus hoher Spitzenleistung im Megawattbereich und großer spektraler Güte der einzelnen Kammlinien (Größenordnung 10^14) eines Femtosekundenfrequenzkammes auszunutzen. Zu diesem Zweck wird, bei der in der vorliegenden Arbeit vorgestellten Methode, der Femtosekundenpulszug in einen optischen Resonator hoher Güte eingekoppelt. Durch diesen Trick erhält man innerhalb der Resonatoranordnung Feldstärken, welche die des treibenden Lasers um ein Vielfaches übertreffen und deshalb einen nichtlinearen Prozess hoher Ordnung innerhalb eines Mediums aus Xenonatomen besonders effizient treiben können. Dadurch werden Harmonische des treibenden Frequenzkammes bis zur fünfzehnten Ordnung erzeugt. Das generierte Licht reicht damit bis weit in den VUV-Spektralbereich und enthält Photonen mit Energien von mehr als 20 eV. Dies ist ein Frequenzbereich der herkömmlichen kontinuierlichen Laser nicht oder nur schwer zugänglich ist, sodass mit der vorgestellten Quelle direkte Frequenzmessungen bei hohen Photonenergien erstmals in den Bereich des Möglichen rücken. Insbesondere soll eine weiterentwickelte Variante der in dieser Arbeit demonstrierten VUV Frequenzkammquelle dazu verwendet werden, das traditionsreiche Projekt unserer Arbeitsgruppe, die 1S-2S Spektroskopie an atomarem Wasserstoff, in eine neue Runde zu führen. Der erzeugte Frequenzkamm in der Nähe von 60~nm soll zur direkten 1S-2S Spektroskopie an einfach geladenem Helium, einem wasserstoffähnlichen System mit erhöhter Kernladung, verwendet werden. Von einer solchen Messung erwartet man eine, im Vergleich mit Wasserstoff, erhöhte Empfindlichkeit auf relativistische Korrekturen aus der QED, da das System generell höhere Energien aufweist. Damit könnte ein Test erhöhter Empfindlichkeit für die Theorie der QED realisiert werden. Weitere Anwendungen der kompakten und relativ einfachen kohärenten Quelle für VUV Strahlung könnten in der hochauflösenden Mikroskopie, VUV Holographie aber auch in der Ultrakurzzeitspektroskopie liegen.