HELMHOLTZ-PREIS 1980 (Preisverleihung am 26.06.1980)
Dr. David J. E. Knight, Dr. Gordon J. Edwards, Peter R. Pearce, Nigel R. Cross für die Arbeit „A ± 3 parts in 1011 measurement of the frequency of the methane-stabilized, helium-neon laser at 88 THz"

Preisträger 1980: Laserfrequenz präzise gemessen

Dr. David Knight (li.), Dr. Gordon Edwards (M.), Prof. Dr.-Ing. Dieter Kind (re.)

David Knight wurde 1937 in Bude, Cornwall, geboren. In Oxford studierte er Physik und promovierte 1965 am dortigen Engineering Department. 1966 ging er zur Division of Quantum Metrology am NPL in Teddington, wo er 1987 Leiter der Abteilung „Time and Frequency“ wurde. Seit 1994 im Ruhestand, ist er für das NPL beratend tätig.

Gordon Edwards, 1941 geboren, studierte von 1961 bis 1964 Physik in Cambridge und erhielt 1969 seinen D. Phil. an der University of Sussex. Er ging 1970 zur Division of Quantum Metrology am NPL, um an der Messung der Lichtgeschwindigkeit zu arbeiten. Dort führte er Präzisionsmessungen von Laserfrequenzen durch. Später widmete er sich der Anwendung von Lasern zur Temperaturmessung. 2001 ging er in den Ruhestand, er ist aber noch für das NPL in Teilzeit tätig.

Nigel Cross, 1946 in Isleworth, Middlesex geboren, kam 1962 als Auszubildender ans NPL. 1971 erhielt er einen Honours Degree in Maschinenbau von der Surrey University. Er entwickelte Detektoren für den Joint European Torus in Culham und für die ESA. Seit 2006 im Ruhestand, ist er beratend für das NPL tätig.

Peter Pearce wurde 1950 in geboren, kam 1970 zum NPL und ist 2000 verstorben.

Der 1980 zum vierten Mal verliehene Helmholtz-Preis war ein Sonderpreis. Er wurde anlässlich der in diesem Jahr in Braunschweig stattfindenden „Conference on Precision Electromagnetic Measurements“ (CPEM 80) für die beste auf dieser Konferenz vorgetragene Arbeit ausgeschrieben. Diese mit 5.000 DM dotierte Auszeichnung erhielten die vier englischen Physiker Dr. David J. E. Knight, Dr. Gordon J. Edwards, Peter R. Pearce und Nigel R. Cross, die am National Physical Laboratory (NPL) in Teddington, England, arbeiteten. In ihrem Vortrag mit dem Titel „A ± 3 parts in 1011 measurement of the frequency of the methane-stabilized, helium-neon laser at 88 THz” berichteten sie, wie sie die Frequenz eines He-Ne-Lasers, stabilisiert mit Hilfe einer Absorptionslinie des Methans bei 3,39 µm Wellenlänge, mit einer zuvor unerreichten Genauigkeit von 2 kHz bestimmt hatten.

Am National Bureau of Standards in Boulder hatte man 1972 durch Messung der Wellenlänge und der Frequenz des methanstabilisierten He-Ne-Lasers bei 3,39 µm die Lichtgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit von 1 m/s bestimmt. Darauf beruhte die 1983 erfolgte Neudefinition des Meters als die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum während der Dauer von (1/299 792 458) Sekunden durchläuft. Die Arbeit von Knight und seinen Kollegen war Teil der Bemühungen, in Vorbereitung der späteren Neudefinition des Meters die Frequenz und Wellenlänge des He-Ne-Lasers möglichst genau zu messen.

Knight et al. haben diese Frequenz über eine aufwendige Frequenzkette bestimmt, die vier verschiedene Oszillatoren enthielt. Zunächst wurde die Frequenz eines optisch gepumpten Methylalkohollasers, die bei 4,2 THz lag, mit der 43. Harmonischen der Mikrowellenfrequenz eines 99-GHz-Klystrons verglichen und durch elektronische Auszählung der Schwebungsfrequenz gemessen. Im nächsten Schritte wurde die Frequenz eines CO2-Lasers, die bei 29 THz lag, mit der 7. Harmonischen des Methylalkohollasers verglichen. Hier war die Differenz jedoch so groß, dass noch die 3. Harmonische einer Mikrowellenfrequenz von 95 GHz abgezogen werden musste, um eine elektronisch auszählbare Schwebungsfrequenz im MHz-Bereich zu erhalten.

Die 3. Harmonische der CO2-Laser-Frequenz wurde dann mit der Frequenz eines He-Ne-Lasers verglichen, wobei hier eine 55-GHz-Frequenz abgezogen werden musste. Schließlich wurde die Frequenz dieses He-Ne-Lasers mit der zu messenden Frequenz des methanstabilisierten He-Ne-Lasers verglichen. Sie betrug demnach (88 376 181 616 ± 3) kHz. Um diese hohe Messgenauigkeit zu erreichen, sorgten Knight und seine Kollegen dafür, dass sich die Labortemperatur um weniger als 0,1 °C pro Stunde änderte, was ihnen dadurch erleichtert wurde, dass damals ein ungewöhnlich kaltes Sommerwetter herrschte.

Literature

D. J. E. Knight et al.: Measurement of the Frequency of the 3.39-µm Methane-Stabilized Laser to ± 3 Parts in 1011. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement IM-29, (1980), 257