HELMHOLTZ-PREIS 1981 (Preisverleihung am 16.03.1981)
Dr. Frank Spieweck für die Arbeit „Entwicklung eines Laser-Frequenznormals hoher Präzision im sichtbaren Spektralbereich bei 582 THz“

Preisträger 1981: Hochpräzises Laserfrequenznormal im Sichtbaren

Prof. Dr.-Ing. Dieter Kind (li.), Dr. Frank Spieweck (re.)

Frank Spieweck, geboren 1937 in Fichtenau bei Berlin, begann 1958 ein Physikstudium in Braunschweig, das er 1963 mit einer Diplomarbeit über ,,Untersuchungen an zwei Bandensystemen des Stickstoffes“ abschloss.

Seit 1966 arbeitete er im Laboratorium für die Längeneinheit der PTB Braunschweig. Von dort aus hatte er 1974 mit einer Arbeit über den Argonionen-Laser bei Herbert Welling an der damaligen Technischen Hochschule Hannover promoviert. Später war er wissenschaftlicher Laborleiter an der PTB und arbeitete u. a. am Projekt zur Bestimmung der Avogadro-Konstante mit, das zur Vorbereitung einer Neudefinition des Kilogramm durchgeführt wird. Seit 1999 ist er im Ruhestand.

Wie schon der vierte so wurde auch der fünfte Helmholtz-Preis für Präzisionsmessungen im Bereich der Laserphysik vergeben. Die mit 5.000 DM dotierte Auszeichnung ging 1981 an Dr. Frank Spieweck von der PTB Braunschweig für seine Arbeit „Entwicklung eines Laser-Frequenznormals hoher Präzision im sichtbaren Spektralbereich bei 582 THz“.

Für die Messung von Längen mittels Interferenz haben frequenz- oder wellenlängenstabilisierte Laser eine herausragende Bedeutung. Da für eine Längenmessung durch Lichtinterferenz mehrere verschiedene Lichtwellenlängen benötigt werden, hatte man in der PTB seit 1968 an der Stabilisierung nicht nur einer roten Laserlinie gearbeitet, wie sie der jodstabilisierte He-Ne-Laser liefert, sondern auch einer grünen Laserlinie. Ab 1972 wurden mit Hilfe von Jodmolekül-Absorptionslinien auch Argonionen-Laser stabilisiert, deren grüne Linie bei 582 THz im Jahr 1975 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden konnte. Nach Vergleichsmessungen mit PTB-Lasern in England und Frankreich wurde der Wellenlängenwert der Linie, der bei 514,5 nm liegt, 1979 international empfohlen. Allerdings hatten unabhängige Frequenzmessungen, die am MIT und am Laboratoire de Physique des Lasers (LPL) in Paris durchgeführt worden waren, für eine bestimmte Hyperfeinstrukturkomponente der Linie eine überraschend große Differenz von 43,5 kHz ergeben. Diese Diskrepanz aufzuklären, war ein Ziel der Arbeit von Frank Spieweck.

Dazu baute er zwei transportable frequenzstabilisierte Argonionen-Laser. Die Kurzzeitschwankungen der Laserfrequenz beseitigte er, indem er diese mit der Resonanzfrequenz eines kompakten Fabry-Perot-Resonators stabilisierte. Zur Langzeitstabilisierung stimmte er die Laserfrequenz auf eine Jodmolekül-Referenzlinie ab. Anschließend wurden die Frequenzen der beiden Laser miteinander verglichen, indem deren Strahlung überlagert und die dabei auftretende Schwebungsfrequenz gemessen wurde. Während der eine Laser auf eine bestimmte Hyperfeinkomponente abgestimmt war, wurde der andere Laser nacheinander auf die zu messenden Komponenten stabilisiert.

Wie sich zeigte, schwankten die Schwebungsfrequenzen nur um 200 Hz. Im Laufe von vier Monaten wichen die Frequenzen der beiden Laser höchstens um 1,6 kHz voneinander ab. Die an der PTB gemessenen Frequenzen der Hyperfeinkomponenten stimmten mit den am LBL in Paris ermittelten Frequenzen auf etwa 1 kHz überein, sodass die erwähnte Diskrepanz ausgeräumt werden konnte. Die Frequenzunsicherheit seiner beiden transportablen Laser schätzte Spieweck auf 5,5 kHz ab, was einer relativen Unsicherheit von weniger als 10–11 entsprach. Der Argonionen-Laser zusammen mit einem jodstabilisierten He-Ne-Laser ermöglicht es, Längen sehr genau und auf einfache Weise durch Interferenz zu messen. Zudem ist die Frequenz des jodstabilisierten Argonionen-Lasers wegen des großen Frequenzabstandes zum jodstabilisierten He-Ne-Laser ein wichtiger Bezugspunkt für die Kalibrierung von Spektrallinien.

Literatur

F. Spieweck: Entwicklung eines Laser-Frequenznormals hoher Präzision im sichtbaren Spektralbereich bei 582 THz. PTB-Mitteilungen 91, (1981), 336