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Faserfrequenzkämme für den Vergleich optischer Uhren

05.12.2011

An der PTB werden derzeit unterschiedliche Typen von optischen Uhren untersucht und entwickelt. Diese Uhren nutzen hochstabile optische Absorptionsübergänge geeigneter einzelner Ionen oder kalter Atomensembles und arbeiten daher bei individuellen Wellenlängen, die über das gesamte sichtbare und infrarote Spektrum verteilt sind. Um die Leistungsfähigkeit der optischen Uhren zu bewerten, müssen diese sowohl untereinander als auch mit dem Cäsium-Primärnormal verglichen werden. Die Überbrückung solch großer spektraler Abstände ist effektiv nur mit modengekoppelten Femtosekunden-Impulslasern zu erreichen, deren reguläres Spektrum - ein Kamm von Frequenzen - als phasenstarres Getriebe zwischen den Uhren fungiert [1].

Für diesen Zweck bieten sich besonders Erbiumfaserlaser-basierte Frequenzkämme an, die durch ihre kompakte und robuste Bauweise hervorragend für den Dauereinsatz geeignet sind. Zwar ist bekannt, dass diese ein stärkeres hochfrequentes Eigenrauschen zeigen, doch unter Ausnutzung der bekannten Korrelationen der Kammzinken untereinander kann auch ein Frequenzkamm, der Linienbreiten im Bereich von 100 kHz aufweist, als Transferoszillator für den Vergleich hochstabiler optischer Uhren, deren Linienbreiten bei nur etwa ≤ 1 Hz liegen, eingesetzt werden [2]. Das nur einige zehn Nanometer breite Spektrum solcher Faserfrequenzkämme wird dazu nachträglich in verschiedenen optischen Zweigen verstärkt und in nichtlinearen Kristallen und Fasern verschoben und/oder verbreitert, so dass die für die Evaluierung der optischen Uhren notwendigen verschiedenen spektralen Ausschnitte an den entsprechenden Zweigausgängen zur Verfügung stehen.

Besonders während dieser nachträglichen Verarbeitung in den jeweiligen Verstärkerzweigen kann es allerdings zu einer Vielzahl von Störeinflüssen kommen, welche die neu entstandenen Kammzinken zusätzlich zu den korrelierten auch mit unkorrelierten Rauschbeiträge versehen und so die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems als Transferoszillator begrenzen bzw. Vergleichsmessungen zwischen optischen Uhren kompromittieren [3,4]. Daher wurden Messungen unternommen, um Art und Größe der unkorrelierten Störeinflüsse zu bestimmen, die während der optischen Verstärkung und den nichtlinearen Frequenzkonversionsschritten auftreten (siehe Bild). Die Messungen zeigen, dass mit dem vorhandenen kommerziellen System optische Uhren mit einer relativen Instabilität von σy(τ) = 2×10-16(τ/s) ohne parasitäre Einflüsse des Frequenzkamms verglichen werden können. In beiden Messungen beträgt die relative statistische Unsicherheit <3×10-19.

Somit können alle optischen Uhren, die derzeit an der PTB vorhanden sind, untereinander verglichen werden, ohne dass der Frequenzkamm dabei eine Begrenzung darstellt.

 

Überlappende Allan Standardabweichung für das Rauschen eines Erbium-dotierten Faserverstärkers (rot) und das Rauschen zwischen zwei Verstärkerzweigen inklusive Frequenzkonversion (schwarz). Zusätzlich ist die geringstmögliche relative Instabilität zweier optischer Uhren aufgetragen, die ohne Kammeinfluss verglichen werden könnten (blau).


Literatur:

[1]    D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, S. T. Cundiff, Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis, Science 288, 635 (2000)

[2]    H. R. Telle, B. Lipphardt, J. Stenger, Kerr-lens, mode-locked lasers as transfer oscillators for optical frequency measurements, Appl. Phys. B 74, 1 (2002)

[3]    E. Benkler, H. R. Telle, A. Zach, F. Tauser, Circumvention of noise contributions in fiber laser based frequency combs, Opt. Exp. 13, 5662 (2005)

[4]    N. R. Newbury, W. C. Swann, Low-noise fiber-laser frequency combs, J. Opt. Soc. Am. B 24, 1756 (2007)