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Prototyp der optischen Weltraumuhr zur Evaluierung an der PTB

04.01.2016

Das “Space Optical Clocks 2"-Projekt (SOC2) ist ein von der EU gefördertes Weltraumuhren-Projekt, das von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHUD) koordiniert und derzeit in der Endphase an der PTB evaluiert wird [1]. Mit technologischen Beiträgen von 16 Kooperationspartnern aus Europa zielt das Projekt darauf ab, eine transportable optische Strontiumgitteruhr als Prototyp für eine Mission im Weltraum an Bord der Internationalen Raumstation ISS zu entwickeln. Das langfristige Ziel der Mission ist, die Genauigkeit der ACES-Mission [2] um das 10-fache zu übertreffen und als Normaluhr im Weltraum [3] zu dienen. Nach dem erfolgreichen Transport des Kompaktgeräts von Birmingham (Großbritannien) an die PTB im Sommer 2015 befindet sich das Projekt in der Endbauphase mit Fertigstellungstermin (laut ESA) am 31. Oktober.

Die Gesamtanlage besteht aus einem transportablen Einzelgestell mit Maßen von weniger als 170 cm × 90 cm × 60 cm, wobei die Laser und das Frequenzstabilisierungssystem (FSS) [4] unter der Steckplatine der Vakuumkammer und der Elektronik des 19”-Einzelgestells montiert sind.

Die in Birmingham erzeugte MOT-Vakuumkammer ist eine maßgefertigte Titankammer, die so klein ist, dass sie in eine Hand passt (ungefähr 2 cm × 5 cm × 15 cm). Dies ermöglicht niedrige Leistungsdissipation in den Magnetfeldspulen der MOT bei gleichzeitig hoher Ladeeffizienz der MOT bei Drücken um 10-8 mbar in der Vakuumkammer während des Betriebs. Die MOT-Kammer verwendet den neuartigen, kompakten Zeeman-Slower mit Dauermagneten, der am NPL [5] entwickelt wurde und Atome verwendet, die aus einem Atomofen mit niedrigem Energiebedarf ausströmen. 

Laser in maßgefertigten Gehäusen werden mit Hilfe des an der HHUD entwickelten FSS frequenzstabilisiert. Das FSS nutzt dazu flexible Seitenbänder und besteht aus zwei temperaturstabilisierten optischen ULE-Glasresonatoren.

Der Uhrenlaser und der dazugehörige kompakte (5 Liter) ultrastabile Referenzresonator wurden an der PTB und dem SYRTE parallel mit der Vakuumkammer entwickelt, um hier an der PTB mit den übrigen Komponenten der Uhr zusammengeführt zu werden.

Die Anlage lädt – unter Verwendung eines FPGA für die experimentelle Prozessablaufsteuerung – Atome in das optische 1D-Gitter und befindet sich in den nächsten Wochen in der Vorbereitung für den Uhrenbetrieb, was vielversprechend für den Vergleich mit den Strontiumgitteruhren der PTB ist.

(Ch. Lisdat, FB 4.3, christian.lisdat(at)ptb.de)

[1] S. Schiller, (2011) SOC2-Towards Neutral-atom Space Optical Clocks. Available at: www.exphy.uni-duesseldorf.de/optical_clock/soc2/index.php

[2] H. J. Kramer, (2002) ISS Utilization: ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) / PHARAO. [ONLINE] Available at: directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/i/iss-aces-pharao

[3] K. Bongs, et. al., (2015) Development of a strontium optical lattice clock for the SOC mission on the ISS. Comptes Rendus Physique 16, 533-564, DOI: 10.1016/j.crhy.2015.03.009

[4] I. R. Hill, et. al., (2014) Zeeman Slowers for Strontium based on Permanent Magnets.  J. Phys. B, 47(7):075006

[5] A. Nevsky, et. al., (2013) Robust frequency stabilization of multiple spectroscopy lasers with large and tunable offset frequencies. Optics Letters 38, 4903-6, DOI:10.1364/ol.38.004903