Langzeitbetrieb eines optischen Ionen-Frequenznormals

Optische Frequenznormale auf der Basis eines gespeicherten Ions weisen eine um Größenordnungen höhere Stabilität als Cäsiumfontänen-Mikrowellennormale auf. Beim Vergleich zweier optischer Normale sind dennoch Messzeiten im Bereich von mehreren Tagen erforderlich, um systematische Frequenzverschiebungen genau zu bestimmen und damit die erwartete systematische relative Unsicherheit im Bereich von 10^-17 zu verifizieren. Eine ähnlich lange Messzeit wird auch beim Vergleich mit einem Cäsium-Normal (Absolutfrequenzmessung) benötigt, wenn eine Unsicherheit angestrebt wird, die nicht durch die statistische, sondern durch die systematische Unsicherheit der Cäsiumreferenz begrenzt ist.

Das an der PTB entwickelte optische Frequenznormal auf der Basis eines gespeicherten ¹⁷¹Yb⁺-Ions nutzt einen Referenzübergang bei 688 THz (436 nm). Dieses System ist prinzipiell für Dauerbetrieb gut geeignet, weil die beobachteten typischen Speicherzeiten im Bereich von Monaten liegen und zur optischen Anregung zuverlässige Halbleiterlaser verwendet werden können. Bei der Weiterentwicklung des Experiments wurden die Möglichkeiten zur softwaregesteuerten Laserfrequenzregelung, Fernüberwachung und Meßzykluskontrolle stark erweitert. Dies führte zu einer weiteren Reduzierung der systematischen Relativunsicherheit auf 7 · 10^-16 und ermöglichte Meßintervalle von bis zu 120 h bei Absolutfrequenzmessungen. Die Abbildung zeigt die Instabilität einer dieser Messungen, die wie erwartet durch die statistische Unsicherheit der Cäsiumreferenz CSF1 dominiert wird. Bei langen Mittelungszeiten wird eine Instabilität σ_y < 10^-15 erreicht. Dieser Wert liegt unter der systematischen Unsicherheit der miteinander verglichenen Normale und ist deutlich kleiner als bei anderen bekannten Vergleichen zwischen optischen Frequenznormalen und Cäsium-Normalen.