Kryogener optischer Siliziumresonator zeigt geringste Frequenzdrift
08.01.2015
Die besten heutigen Laser sind in Ihrer Frequenzstabilität durch thermische Brownsche Fluktuationen der Länge ihres Referenzresonators begrenzt. Mit einem auf 124 K abgekühlten optischen Resonator aus einem Siliziumeinkristall war es der PTB gelungen, diese relative Frequenzinstabilität bis unter 10-16 zu senken und eine Laser-Linienbreite von ca. 40 mHz zu erreichen [1].
Der nahezu perfekte Siliziumkristall sollte in seiner Länge absolut stabil sein und keinen Alterungsprozessen des Materials mehr unterworfen sein. Im Gegensatz zu Gläsern, deren strukturelle Relaxation zu einer relativen Längenänderung von 3×10-9 bis 3×10-10 pro Jahr führt, sollte daher die Resonanzfrequenz des Siliziumresonators auch über lange Zeiten deutlich stabiler sein.
Durch den Vergleich der Resonanzfrequenz des kryogenen Siliziumresonators über einen Femtosekunden-Frequenzkamm mit der Cs-Atomuhr (Bild 1) konnten wir jetzt nachweisen, dass die relative Längenänderung des Resonators unter 2×10-11 pro Jahr liegt [2].
Da durch Störungen der Temperaturregelung die Temperatur während der Messzeit um wenige 10 mK schwankte, war ein korrektes Beschreiben und Modellieren des thermischen Verhaltens des Systems (Bild 2) und eine Vermeidung von Verschiebungen in der Frequenzregelung durch unerwünschte Amplitudenmodulation [3] für diesen Nachweis entscheidend.
Die hohe Zuverlässigkeit und die bislang geringste Frequenzdrift eines optischen Resonators machen diese Laserquelle zu einem wertvollen Werkzeug im Frequenzvergleich zwischen optischen und Mikrowellen-Uhren.
Die Kurve a) zeigt die Abweichung ΔTcryo der Temperatur des temperaturstabilisierten äußeren Wärmeschildes. Die Pfeile zeigen das Nachfüllen des Stickstoffbehälters an.
b): Modellierte Abweichung ΔTcav der Resonatortemperatur vom Nullpunkt T0 der thermischen Expansion.
c): Absolutfrequenz n des resonatorstabilisierten Lasers im Vergleich zur Frequenz am Nullpunkt der thermischen Expansion ν(T0) zum Zeitpunkt t = 8 d. Die Frequenz wurde über Frequenzkamm und Wasserstoffmaser (1000 s gleitendes Mittel) mit der Cs-Atomuhr verglichen. Der Einsatz zeigt einen Ausschnitt von Δn zwischen Tag 56.5 und 63 mit Frequenzdaten aus einem Vergleich mit der optischen 87Sr Gitteruhr (rote Punkte).
Resonatorfrequenz Δν als Funktion der berechneten Temperaturabweichung des Resonators ΔTcav vom Nullpunkt T0 der thermischen Expansion (hellblaue Symbole).
Mit einer Frequenzdrift von −8 Hz/d ergibt sich die erwartete thermische Ausdehnung (dunkelblaue Symbole). Die Buchstaben bezeichnen die Temperaturstörungen aus Abb. 1.
Literatur:
[1] T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, “A sub-40 mHz linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity”, Nature Photonics 6, 687-692 (2012)
[2] C. Hagemann, C. Grebing, C. Lisdat, S. Falke, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, and J. Ye , “Ultra-stable laser with average fractional frequency drift rate below 5×10-19 /s”, Opt. Lett. 39, 5102-5105 (2014)
[3] W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, M. Aspelmeyer, Reduction of residual amplitude modulation to 10-6 for frequency-modulation and laser stabilization, Opt. Lett. 39, 1980-1983 (2014)