Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Transportabler, resonatorstabilisierter 1,5 µm Faserlaser

05.10.2010

Resonatorstabilisierte Lasersysteme mit geringer Linienbreite sind im Bereich der Zeit- und Frequenzmetrologie unentbehrlich geworden. Ursprünglich als Spektroskopie- und Abfragelaser [1] für optische Uhren entwickelt, haben sie insbesondere in Verbindung mit Femtosekunden-Frequenzkämmen neue Anwendungsbereiche gefunden. Aufgrund ihrer unerreicht hohen Kurzzeitstabilität stellen sie eine ideale Ergänzung zu gängigen RF-Quarzoszillatoren dar. Sie lassen sich u.a. als Referenz für Frequenzkämme, in der optischen Synthese von Mikrowellen [2] und als Werkzeug zur Charakterisierung von optischen Faserstrecken [3] einsetzen. Bisherige resonatorstabilisierte Lasersysteme [4, 5, 6] sind Unikate im Labormaßstab, die aufgrund ihres Aufbaus und ihrer Größe nicht für einen Transport gedacht sind. Um diese Technologie zur Marktreife zu bringen, wurde in einer Kooperation zwischen der PTB und einem Partner aus der Industrie der Prototyp eines transportablen, hochstabilen Faserlasers bei einer Wellenlänge von 1,5 µm entwickelt.

Das System besteht aus einem kommerziellen Faserlaser, dessen Frequenz auf die Eigenfrequenz eines hochstabilen Referenzresonators stabilisiert ist.  Der etwa 10 cm lange Fabry-Perot-Resonator ist mittels Vakuumkammer, Wärmeschild, Schallisolation und Schwingungsisolationstisch weitgehend gegen Temperaturschwankungen und Vibrationen durch Schall und Seismik isoliert. Seine Halterung ist so konzipiert, dass der Aufbau unempfindlich gegen typische Transporterschütterungen ist. Das gesamte System inklusive Treiber- und Stabilisierungselektronik findet in einem 19-Zoll-Einschub von 60 × 60 cm2 Grundfläche und ca. 1,50 m Höhe Platz.

In einem Stabilitätsvergleich mit einem hochstabilen Referenzlaser (Ca-Uhrenlaser) [4] zeigt das Lasersystem zur Zeit eine Frequenzstabilität von σy(1s) < 5 . 10-15 und eine Linienbreite von weniger als 2 Hz.

 

Transportabler 1,5 µm Referenzlaser in einem 19-Zoll-Einschub. Im unteren geschlossenen Teil des Racks befindet sich der hochstabile Referenzresonator. Der obere Teil beherbergt den Faserlaser und die Stabilisierungselektronik. Das System erreicht zur Zeit eine Instabilität von σy(1s) < 5 . 10-15.


[1]      B.C. Young, F. C. Cruz, W. M. Itano, and J. C. Bergquist, “Visible Lasers with Subhertz Linewidths”, Phys. Rev. Lett., 82, 3799-3802, (1999)

[2]      B. Lipphardt, G. Grosche, U. Sterr, C. Tamm, S. Weyers, and H. Schnatz, “The Stability of an Optical Clock Laser Transferred to the Interrogation Oscillator for a Cs Fountain",  IEEE Trans. Instrum. Meas., 58, 1258-1262, (2009)

[3]     O. Terra, G. Grosche, K. Predehl, R. Holzwarth, T. Legero, U. Sterr, B. Lipphardt, and H. Schnatz, “Phase-coherent comparison of two optical frequency standards over 146 km using a telecommunication fiber link”,  Appl. Phys. B, 97, 541-551, (2009)

[4]    H. Stoehr, F. Mensing, J. Helmcke, and U. Sterr, “Diode Laser width 1 Hz Linewidth”, Opt. Lett, 31, 736-738, (2006)

[5]    S. A. Webster, M. Oxborrow, S. Pulga, J. Millo, and P. Gill, “Thermal-noise.limited optical cavity”, Phys. Rev. A, 77, 033847-1-6, (2008)

[6]   J. Millo, D. V. Magalhaes, C. Maniache, Y. L. Coq, E. M. L. English, P. G. Westergaard, J. Lodewyck, S. Bize, P. Lemonde, and G. Santarelli, “Ultrastable lasers based on vibration insensitive cavities”, Phys. Rev. A, 79, 053829, (2009)