In optischen Frequenznormalen wird die Frequenz eines Lasers auf einen atomaren Referenzübergang im optischen Spektralbereich stabilisiert. Für eine genaue Messung der Frequenz des Übergangs in der SI-Basiseinheit "Sekunde" bestimmt man das Frequenzverhältnis zu einem Referenzsignal, das von einer Cäsium-Atomuhr kontrolliert wird und typischerweise im Hochfrequenzbereich (HF) liegt. Durch solche Messungen sind die Frequenzen einiger optischer Referenzübergänge mit einer Genauigkeit bekannt, die praktisch nur durch die in der Messung eingesetzten primären Cäsium-Uhren begrenzt ist. Das BIPM empfiehlt einige präzise gemessene optische Übergangsfrequenzen, darunter auch den E2- und E3-Referenzübergang von 171Yb+, als "secondary representations of the second".
Frequenzen im optischen Spektralbereich können nicht direkt mit elektronischen Zählern gemessen werden. Zur optischen Frequenzmessung benutzt man einen Laser, in dem viele miteinander gekoppelte Resonatormoden gleichzeitig angeregt sind. Dies führt zur Emission eines periodischen Pulszugs. Das entsprechende Spektrum ist ein "Frequenzkamm" und besteht aus Linien mit Frequenzen fi, die exakt durch fi = i · frep + fCEO festgelegt sind (i: Ordnungszahl, frep: Repetitionsrate, fCEO: Offsetfrequenz). Das optische Kammspektrum ist also vollständig bestimmt durch die Frequenzen frep und fCEO, die im HF-Bereich liegen. Dies ermöglicht die hochgenaue Messung optischer Frequenzen relativ zu einer HF-Referenz.
Abb 1: Schema des Aufbaus für optische Frequenzmessungen. fopt wird mit Hilfe eines Frequenzkammgenerators bestimmt. Die Referenzfrequenz fref wird aus einem Wasserstoff-Maser abgeleitet, der von einer Cäsiumfontänenuhr kontrolliert wird. fopt wird für einen gegebenen Wert von fref aus den synchron ausgelesenen Zählerdaten berechnet (s. Abb. 2, rechts).
Abb. 2: Bestimmung der optischen Frequenz fopt bei dem in Abb. 1 (links) dargestellten Messschema.
Der in unseren Messungen verwendete Aufbau ist schematisch in Abb. 1 gezeigt. Mit einem Fotodetektor und einem elektronischen Zähler wird die Frequenzdifferenz (Schwebungssignal) zwischen der zu messenden optischen Frequenz fopt und der nächstgelegenen Kamm-Komponente registriert. Mit zwei weiteren Zählern registriert man fCEO und die Frequenzdifferenz zwischen einer Oberwelle von frep und der HF-Referenz fref . Mit dieser Information lässt sich fopt für einen gegebenen Wert von fref berechnen (Abb. 2). Die Stabilität der Frequenzmessung ist bei diesem Verfahren unabhängig von der Kurzzeitstabilität der Kammfrequenzen fi und wird nur von der Stabilität von fopt und fref bestimmt. Deshalb ist eine unaufwendige "langsame" Stabilisierung von frep und fCEO ausreichend, mit der die Drift von fx und fCEO unterdrückt wird.