High-power frequency combs for precision spectroscopy in the extreme ultraviolet

Abstract

Ultra-high-resolution spectroscopy provides the basis behind multiple scientific fields and in particular, for frequency metrology. The required techniques usually involve optical frequency combs, which are well established in the visible and infrared spectral regions. In contrast, the Vacuum- and Extreme Ultraviolet (VUV and XUV) are barely explored spectral ranges, mainly due to the lack of a suitable light source. However, many atoms and in particular ions of fundamental interest await to be analyzed. Additionally, prospective nuclear clocks based on optically driving the low energy 229Th nuclear transition (about 8.3 eV), set high demands on dedicated VUV sources. A possible solution can be provided by high-power frequency combs combined with cavity-enhanced high-harmonic generation (HHG). However, this combination represents a highly complex approach with great challenges if long-term stable, low-noise operation is required. This is particularly important should ultra-narrow transitions such as the 229Th transition be targeted. This dissertation addresses these challenges, describing the complete development of a fully-stabilized high-power femtosecond frequency comb centered at 1 μm wavelength with 65MHz comb line spacing and more than 70W output power. Furthermore, important features including a new oscillator design, wavelength tuning, adaptation for remote computer control and a technical interlock, which ensures fail-safe and stable long-term operation of the system, are implemented. The dissertation shows for the first time that a fully-stabilized high-power frequency comb can be operated continuously over multiple days without interruption, setting the stage for VUV conversion and ultra-high-resolution spectroscopy in this spectral region.

Die ultrahoch auflösende Präzisionsspektroskopie bildet das Fundament mehrerer Wissenschaftsfelder und insbesondere für die Frequenzmetrologie. Die dafür angewendeten Techniken nutzen üblicherweise optische Frequenzkämme, die sich im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich etabliert haben. Im Gegensatz dazu sind Vakuum- und Extremultraviolett (VUV und XUV) kaum erforschte Spektralbereiche; Grund dafür ist das Fehlen einer geeigneten Lichtquelle. Allerdings warten gerade dort Atome und Ionen auf Analyse, die von fundamentalem Interesse ist. Weiterhin gibt es die Aussicht auf Kernuhren auf Basis des niedrigenergetischen 229Th Kernübergangs, ein Unterfangen, das hohe Ansprüche an dafür notwendige VUV-Quellen stellt. Eine mögliche Herangehensweise kann aus einer Kombination aus einem Hochleistungsfrequenzkamm und resonatorgetriebener Generation hoher Harmonischer (HHG) bestehen. Dieser Ansatz ist hochkomplex, er beinhaltet große Herausforderungen wie Lang- und Kurzzeitstabilität und ultrarauscharmen Betrieb. Das ist besonders wichtig wenn schmalbandige übergänge wie der 229Th-übergang angeregt werden sollen. Diese Dissertation adressiert diese Herausforderungen und beschreibt die komplette Entwicklung eines vollständig stabilisierten Hochleistungsfrequenzkamms mit einer Zentralwellenlänge von 1 μm, einem Kammlinienabstand von 65MHz und mehr als 70W Ausgangsleistung. Weiterhin werden wichtige Merkmale einschließlich einer neuartigen Oszillatorarchitektur, Wellenlängendurchstimmbarkeit, Anpassung für computerbasierte Steuerung und ein technisches Interlocksystem für ausfallsicheren und langfristigen Betrieb implementiert. Diese Dissertation zeigt damit erstmals, dass ein vollständig stabiliserter Hochleistungsfrequenzkamm über Tage ununterbrochen betrieben werden kann und öffnet damit neue Möglichkeiten für die VUV-Konversion und damit für die Ultrahochpräzisionsspektroskopie in diesem Spektralbereich.