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Probst, Rafael Andreas (2015): Laser frequency combs for astronomy. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Test optischer Frequenzkämme zur Kalibration astronomischer Spektrographen. Die Genauigkeit der besten Spektrographen war bisher durch ihre Kalibration begrenzt. Die Benutzung von Frequenzkämmen als hochgenaue optische Frequenzreferenz verspricht die Überwindung dieser Limitierung, und damit die Bestimmung von Linienpositionen in astronomischen Spektren mit nie dagewesener Genauigkeit. Dies eröffnet faszinierende neue Möglichkeiten in der Astronomie, wie die Entdeckung erdähnlicher extrasolarer Planeten über Radialgeschwindigkeitsmessungen, die direkte Messung der Beschleunigung der kosmischen Expansion, oder eine genauere kosmologische Suche nach Veränderlichkeit von Naturkonstanten. Auf Basis der vorliegenden Arbeit wurde eine kommerzielle Version des astronomischen Frequenzkamms entwickelt, die derzeit für die Installation und den Routinebetrieb an mehreren Observatorien vorbereitet wird. Um die Kammstruktur mit astronomischen Spektrographen ausreichend gut aufzulösen, werden Frequenzkämme mit extrem großen Modenabständen von typischerweise >10 GHz benötigt. Zur Erzeugung von Frequenzkämmen mit derart hohen Modenabständen verfolgt diese Arbeit einen Ytterbium-Faserlaser-basierten Ansatz, der auf der Unterdrückung ungewollter Moden eines Frequenzkamms mit ursprünglich geringerem Modenabstand beruht. Zur breitbandigen Kalibration von Spektrographen muss das erzeugte Kammspektrum über einen großen Teil des sichtbaren Spektralbereichs hinweg verbreitert werden. Bei Pulswiederholraten von >10 GHz erweist sich dies als sehr herausfordernd, und bringt bis dahin unbekannte Effekte hervor. Die vorliegende Arbeit entwickelt Strategien zur spektralen Verbreiterung astronomischer Frequenzkämme, und untersucht hiermit verbundene Fragen wie Farbzentren-Bildung im Kern photonischer Kristallfasern. Des Weiteren wird theoretisch und experimentell nachgewiesen, dass spektrale Verbreiterung mit einer drastischen Verstärkung unterdrückter Kammmoden einhergeht, und es wird gezeigt, wie hierdurch bedingte Kalibrations-Ungenauigkeiten begrenzt werden können. Da die Einhüllende des verbreiterten Spektrums stark strukturiert ist, ist es von Nutzen diese abzuflachen. Hierbei werden die Signalpegel aller Kalibrationslinien auf dem Spektrographen angeglichen, was deren Signal-zu-Rausch-Verhältnis maximiert und dadurch die Kalibrationsgenauigkeit erhöht. Mehrere Konzepte zur adaptiven spektralen Abflachung werden entwickelt, wobei über einen Bereich von >200 nm abgeflachte Spektren erzeugt werden. Der astronomische Frequenzkamm wird an HARPS getestet, dem bis heute führenden Spektrographen zur Exoplanetensuche, der sich am La Silla Observatorium in Chile befindet. Über kurze Zeitspannen wird hier eine Wiederholbarkeit der Kalibration von 2,5 cm/s erreicht – einen Faktor 4 besser als mit einer Thorium-Lampe, der bis dahin besten Kalibrationsquelle. Erstmals wird der Orbit eines extrasolaren Planeten mit Hilfe eines Frequenzkamms rekonstruiert, und ein Frequenzkamm-kalibrierter Atlas solarer Linien wird aus Beobachtungen von Mondlicht erstellt. Instrumentelle Effekte werden gründlich untersucht, insbesondere Kalibrationsverschiebungen, die von den Signalpegeln auf der Spektrographen-CCD abhängen. Hinsichtlich seiner Anwendungen in der Sonnenastronomie wird der Frequenzkamm am VTT Sonnenspektrographen auf Teneriffa getestet. Hier wird eine Technik eingesetzt, die den Spektrographen über eine monomode Glasfaser gleichzeitig mit Kalibrationslicht und Sonnenlicht versorgt. Dadurch wird Modenrauschen des Faserkanals als Ursache für Ungenauigkeiten ausgeschlossen, und die Kalibrationswiederholbarkeit verbessert sich um ca. 2 Größenordnungen gegenüber einer zeitlich getrennten Übertragung. Dieses Konzept wird zur Vermessung globaler Sonnenoszillationen und zur Bestimmung der Stabilität von Absorptionslinien aus der Erdatmosphäre angewandt.

Abstract

This work reports on the development and in-field test of laser frequency combs for calibration of astronomical spectrographs. Thus far, the precision of the best spectrographs had been limited by their calibration. The use of a frequency comb as an extremely accurate optical frequency reference promises to overcome this limitation and to allow measuring line positions in astronomical spectra at unprecedented levels of precision. This opens up the door to intriguing new possibilities in astronomy, such as the detection of Earth-like extrasolar planets via radial-velocity measurements, the direct measurement of the acceleration of the cosmic expansion, and a more accurate cosmological search for variability of fundamental constants. A commercial version of the astronomical frequency comb has been derived from this work, and is currently being prepared for installation and routine use at several observatories. Frequency combs with an extremely large mode spacing of typically >10 GHz are required to sufficiently resolve the comb structure with astronomical spectrographs. This work pursues an ytterbium-fiber laser-based approach for the generation of such large mode-spacing frequency combs, which works by suppressing unwanted modes of a frequency comb with originally smaller mode spacing. For broadband spectrograph calibration, the generated comb spectrum needs to be broadened to cover a large portion of the visible spectral range. At pulse repetition rates of >10 GHz, this proves to be very challenging, and discloses many previously unknown effects. This work develops strategies for spectral broadening of astronomical frequency combs, and investigates associated questions such as color-center formation within the core of photonic crystal fibers. A spectral coverage of >230 nm in the center of the visible spectral range is demonstrated. Further, it is theoretically and experimentally proven, that spectral broadening is accompanied by a strong re-amplification of the suppressed comb modes, and it is shown how the associated calibration uncertainties can be limited. Since the envelope of the broadened spectrum is strongly structured, it is useful to reshape it into a flat-top. This equalizes the signal levels of all calibration lines on the spectrograph, and thereby maximizes their signal-to-noise ratio, increasing the calibration precision. Several concepts for adaptive spectral flattening are developed, and flat-top spectra over up to >200 nm are experimentally obtained. The astronomical frequency comb is tested at HARPS, the leading spectrograph for exoplanet searches to date, located at the La Silla Observatory in Chile. Over short time horizons, a calibration repeatability of 2.5 cm/s is obtained – a factor of four better than with a thorium lamp, which was the so far best calibration source. For the first time, the orbit of an extrasolar planet is reconstructed by making use of a frequency comb, and a frequency comb-calibrated atlas of solar lines is derived from observations of moonlight. Instrumental effects are closely characterized, in particular calibration shifts related to the signal levels on the spectrograph CCD. The frequency comb is tested for applications in solar astronomy at the VTT solar spectrograph in Tenerife, Canary Islands. Here, a technique is demonstrated that uses a single-mode fiber to feed the spectrograph simultaneously with both calibration light and sunlight. This excludes modal noise from the fiber delivery as a source of uncertainty, and improves the calibration repeatability by about 2 orders of magnitude over a temporally separated fiber transmission. The concept is applied to measure global solar oscillations, and to assess the stability of absorption lines from Earth’s atmosphere.