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Vibrationsinsensitiver Referenzresonator mit thermischem Rauschen unter 1 x 10-16

05.02.2014

Zwei wesentliche Beiträge zur Frequenzinstabilität heutiger ultrastabiler Laser sind das thermische Rauschen und vibrationsbedingte Verformungen des Referenzresonators. Am QUEST-Institut wurde in Kooperation mit Stephen Webster (ehem. NPL) ein Design für einen 30 cm langen vibrationsinsensitiven Resonator entwickelt und getestet. Das thermische Rauschen bei Raumtemperatur entspricht einer relativen Frequenzinstabilität von 9,4 x 10-17. Der Resonator besteht aus einem ULE®-Quader, der an vier Stellen leicht unterhalb der vertikalen Symmetrieebene von Viton-Kugeln unterstützt wird (Abb. 1). Die horizontalen Symmetrien der Auflage sorgen für geringe Sensitivitäten (unter 10-11 / ms-2) gegenüber longitudinalen und transversalen Beschleunigungen. Um eine geringe Empfindlichkeit gegenüber vertikalen Beschleunigungen zu erreichen, wird die Kompensation zweier Effekte genutzt: Der Poisson-Effekt führt zu einer Längenänderung, während das Durchbiegen zu einer Verkippung der Spiegel führt. Deren Einfluss auf die Resonanzfrequenz ist vom vertikalen Abstand zwischen Symmetrie- und optischer Achse und von der longitudinalen Position der Auflagepunkte abhängig. Da keine Bearbeitung des Resonators an den Auflagepunkten nötig ist, können diese flexibel gewählt werden, um bei gegebener optischer Achse den Nulldurchgang der Sensitivität zu finden (s. Abb. 2). Bei einem Versatz von 0,55 mm beträgt die Steigung um den Nulldurchgang 5 x 10-12 / ms-2 pro mm. Die experimentell erreichten Sensitivitäten erlauben eine relative Frequenzinstabilität von 1 x 10-16 für Mittelungszeiten ab 20 ms.

Bild 1: Der 30 cm lange Referenzresonator in seiner Halterung.

 

Bild 2: Abhängigkeit der Sensitivität gegenüber vertikalen Beschleunigungen von der longitudinalen Position der Auflagepunkte. Die Linien zeigen Simulationsergebnisse bei variiertem vertikalem Versatz zwischen mechanischer Symmetrie- und optischer Achse; die Symbole zeigen experimentelle Ergebnisse. Bei überlagerten Achsen (orange), wirkt alleine der konstante Poisson-Effekt. Ein Versatz zwischen den Achsen sorgt für einen Nulldurchgang, der eine experimentelle Minimierung der Sensitivität erlaubt. Die Messunsicherheit ist kleiner als die Symbole.


Literatur:

[1]       J. Keller, S. Ignatovich, S. A. Webster, T. E. Mehlstäubler, Simple vibration-insensitive cavity for laser stabilization at the 10-16 level, Appl. Phys. B (2013), DOI:10.1007/s00340-013-5676-y