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Das Beste aus zwei Welten: Laser und Maser kombiniert

01.12.2012

Klassische Resonator-stabilisierte Laser erreichen relative Frequenzinstabilitäten von 10-15 und weniger über Mittelungszeiträume von einigen Sekunden [1]. Damit sind sie unverzichtbar für Hochpräzisionsexperimente im Bereich der optischen Spektroskopie. Für längere Mittelungszeiten verschlechtert sich die Instabilität jedoch wieder aufgrund verschiedener Effekte, die die Stabilität des optischen Resonators beeinflussen.

Die Stärke von Wasserstoffmasern liegt darin, dass sie über Mittelungszeiträume von 1000 Sekunden und mehr relative Frequenzinstabilitäten von etwa 10-15 erreichen. Damit sind sie die Grundlage hochpräziser Langzeitmessungen [2], zumal die Maser an primäre Normale für Zeit und Frequenz angebunden werden können [3]. Allerdings ist ihre Kurzzeitstabilität geringer, sie liegt im Bereich 10-13 bei einer Mittelungszeit von einigen Sekunden.

Um die Stärken dieser beiden Frequenzquellen zu kombinieren [4], wurde ein Infrarot-Laser zunächst auf einen zweiten, Resonator-stabilisierten Laser stabilisiert. Dessen Frequenzvariation auf längeren Zeitskalen wurde durch eine zweite Regelschleife korrigiert, in der der Laser über einen Frequenzkamm [2] an einen Maser angebunden war.

Zur Messung der so erreichten Instabilität wurde das System zweimal parallel realisiert, mit zwei unterschiedlichen Masern und zwei auf unterschiedliche Resonatoren stabilisierten Lasern.

Damit konnte eine hochstabile infrarote Frequenzquelle demonstriert werden, deren relative Frequenzinstabilität über Mittelungszeiträume von 0,4 s bis 10000 s unterhalb von 5 x 10-15 liegt, wobei ihre Absolutfrequenz mithilfe des Frequenzkamms über die Anbindung an den primären Frequenzstandard bestimmt werden kann.

Derartiges Licht eignet sich sehr gut für die großräumige Verteilung mittels Glasfasernetzen [5]. Auf diese Weise ist es daher grundsätzlich möglich, Nutzern in Wirtschaft und Wissenschaft eine hochstabile und genau bekannte optische Referenzfrequenz für Experimente und zur Erzeugung einer optisch referenzierten Mikrowellenfrequenz zur Verfügung zu stellen.

Gezeigt sind die gleichzeitig gemessenen Frequenzabweichungen von der mittleren Frequenz für verschiedene Quellen, aufgetragen über die Zeit. In schwarz ist die Frequenzabweichung zwischen zwei Lasern dargestellt, die auf verschiedene Resonatoren stabilisiert werden (extrem rauscharm, aber deutliche Frequenzdrift). Die Frequenzabweichungen zwischen zwei Masern, gemessen anhand der Schwebungsfrequenz gegen zwei auf sie stabilisierte Frequenzkämme, ist in blau dargestellt (starkes Rauschen, aber hohe Frequenzstabilität über lange Zeiten). Die rote Kurve zeigt die Frequenzabweichungen zweier Kombinationssysteme, deren infrarotes Licht durch je einen der Maser und hochstabilen Laser stabilisiert wird (extrem rauscharm und hohe Frequenzstabilität über lange Zeiten).


Literatur:

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

[2]        J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, T. W. Hänsch, Phase Coherent Vacuum-Ultraviolet to Radio Frequency Comparison with a Mode-Locked Laser, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000)

[3]        A. Bauch, S. Weyers, D. Piester, E. Staliuniene, and W. Yang, Generation of UTC(PTB) as a fountain-clock based times scale, Metrologia 49, 180 (2012)

[4]        S. M. F. Raupach, T. Legero, C. Grebing, Ch. Hagemann, T. Kessler, A. Koczwara, B. Lipphardt, M. Misera, H. Schnatz, G. Grosche, U. Sterr, Subhertz-linewidth infrared frequency source with a long-term instability below 5x10-15, Appl. Phys. B (zur Veröffentlichung angenommen, 2012)

[5]        K. Predehl, G. Grosche, S. M. F. Raupach, S. Droste, O. Terra, J. Alnis, Th. Legero, T. W. Hänsch, Th. Udem, R. Holzwarth, H. Schnatz, A 920-Kilometer Optical Fiber Link for Frequency Metrology at the 19th Decimal Place, Science 336, 441 (2012)