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Längeneinheit

Arbeitsgruppe 4.31

Hochstabile Laserquellen mit sub-Hertz Linienbreite

In Zusammenarbeit mit verschiedenen deutschen und internationalen Arbeitsgruppen erzeugen wir Laserstrahlung höchster Stabilität und geringster Linienbreite. Wir stabilisieren dazu die Frequenz der Laser auf ultrastabile optische Resonatoren aus Spezialglas oder einkristallinen Materialien.

Kryogener Si-Resonator:

Optische Atomuhren haben bereits die besten Caesium Atomuhren in ihrer Stabilität und Genauigkeit übertroffen. Allerdings ist die Frequenzstabilität auch besten optischen Uhren immer noch durch die Stabilität der ultrastabilen Laser begrenzt, die den Referenzübergang (das „Pendel“) im Atom oder Ion abfragen. Ziel unseres Projekts ist es daher, die Stabilität der Lasersysteme weiter zu verbessern und diese Stabilität für optische Uhren (in AG 4.32, AG 4.43 und QUEST@PTB), verfügbar zu machen.

Siliziumresonator mit Siliziumspiegeln

In einem ultrastabilen Lasersystem wird ein Laser auf eine scharfe Resonanz eines optischen Resonators stabilisiert. Der Resonator besteht aus zwei Spiegeln mit größtmöglicher Reflektivität, die an einem Abstandshalter befestigt sind. Die so stabilisierte Laserfrequenz kann mit einem Frequenzkamm auf Quellen in anderen Wellenlängenbereichen transferiert werden.Da jede Längenänderung des Resonators zu einer proportionalen Frequenzänderung führt, muss der Resonator möglichst gut von Temperaturschwankungen und Erschütterungen isoliert werden. Die besten heutigen Laser sind letztendlich durch thermisches Rauschen der Resonatorlänge, d.h. durch Brownsche Fluktuationen der Moleküle im Resonatormaterial begrenzt.

Aufbau des Kryostaten

Zur Verringerung der Frequenzfluktuationen reduzieren wir die Temperatur des Resonators und wählen ein Material mit einem sehr hohen mechnischen Gütefaktor. Wir benutzen einen 21 cm langen Resonator aus einem Silizium-Einkristall, der bei einer Temperatur von 124 K betrieben wird. Damit konnten wir eine relative Frequenzinstabilität von unter 10-16 demonstrieren und damit einen der stabilsten Laser weltweit realisieren. Diese Untersuchungen werden in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. Jun Ye (JILA, USA) durchgeführt.

Ausgewählte Veröffentlichungen:

D. G. Matei, T. Legero, S.  Häfner, C.  Grebing, R. Weyrich, W. Zhang, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, J. Ye, F. Riehle and U. Sterr: „1.5 μm lasers with sub 10 mHz linewidth“
Phys. Rev. Lett., 118, 263202 (2017),  doi: 10.1103/PhysRevLett.118.263202 preprint: Opens external link in new windowarXiv:1702.04669v4 [physics.ins-det]

D. G. Matei, T. Legero, C. Grebing, S. Häfner, C. Lisdat, R. Weyrich, W. Zhang, L. Sonderhouse, J. M.  Robinson, F. Riehle, Ye, J. and U. Sterr:
“A second generation of low thermal noise cryogenic silicon resonators”
J. Phys.: Conf. Ser., 723, 012031 (2016) doi:10.1088/1742-6596/723/1/012031

S. Häfner, S. Falke, C. Grebing, S. Vogt, T. Legero, M. Merimaa, C. Lisdat and U. Sterr:
“8 × 10-17 fractional laser frequency instability with a long room-temperature cavity”
Opt. Lett., 40, 2112-2115 (2015), Opens external link in new window doi: 10.1364/OL.40.002112

C. Hagemann, C. Grebing, C. Lisdat, S. Falke, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, and J. Ye: "Ultra-stable laser with average fractional frequency drift rate below 5×10−19/s", Opt.Lett. 39, 5102-5105 (2014), doi: 10.1364/OL.39.005102 preprint: arXiv:1405.1759  [physics.optics]

W. Zhang, M.J. Martin, C. Benko, J.L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G.D. Cole and M. Aspelmeyer: "Reduction of residual amplitude modulation to 1 × 10⁻⁶ for frequency modulation and laser stabilization", Opt.Lett. 39, 1980-1983 (2014), doi: 10.1364/OL.39.005102

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye.: "A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity", Nature Photonics 6, 687-692 (2012), doi: 10.1038/NPHOTON.2012.217

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr: "Providing 10-16 short-term stability of a 1.5 µm laser to optical clocks", IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556-1562 (2013), doi: 10.1109/TIM.2013.2242597 

Ansprechpartner

Dr. Uwe Sterr
Tel.: +49 (0)531-592 4310
E-Mail: Opens window for sending emailUwe Sterr

 

Dr. Thomas Legero
Tel.: +49 (0)531-592 4306
E-Mail: Opens window for sending emailThomas Legero