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Optischer Synthesizer

Weltweit wird intensiv an der Entwicklung optischer Atomuhren gearbeitet. Die hierfür benötigten Lasersysteme müssen zum einen eine extrem hohe Frequenzstabilität aufweisen und zum anderen Licht mit einer Frequenz emittieren, die der entsprechenden Atomuhr angepasst ist. Die erforderliche Frequenzstabilität lässt sich nur mit ultrastabilen, von allen äußeren Störeinflüssen weitgehend isolierten optischen Referenzresonatoren erzielen. Dieser hohe technische Aufwand muss für jede optische Atomuhr wiederholt werden. Am flexibelsten einsetzbar wäre eine Art optischer Synthesizer, der sich aus zwei Lasern zusammensetzt: einem Master-Laser, der auf ultimative Stabilität optimiert ist, und einem daran angeschlossenen Nutzlaser, der Licht mit der benötigten Frequenz emittiert. Dabei muss sichergestellt sein, dass die Stabilität des Master-Laser auf den Nutzlaser übertragen wird. In der PTB wurde nun ein Experiment durchgeführt, das zeigt, dass eine solche Stabilitätsübertragung möglich ist.

Kernstück des optischen Synthesizers bildet ein in der PTB entwickelter programmierbarer Frequenzumsetzer auf der Basis der direkten digitalen Synthese. Das Gerät ermöglicht eine phasenstarre Frequenzumsetzung mit einem frei einstellbaren Faktor von 48 Bit Auflösung.

An dem Experiment waren zwei Diodenlaser beteiligt, deren Lichtfrequenz gut 30 THz auseinander lag. Als Master-Laser diente ein höchst aufwendig stabilisierter Diodenlaser, der für eine optische Atomuhr mit Calciumatomen entwickelt worden war. Seine Frequenzstabilität von 10–15 entspricht einer Linienbreite von nur 1 Hz. Der Nutzlaser wird für die Entwicklung einer optischen Atomuhr mit Strontiumatomen eingesetzt.

DUm die Stabilität vom Master-Laser auf den Nutzlaser zu übertragen, wird ein optischer Frequenzkammgenerator benötigt. Das Licht der beiden Laser wird über Glasfasern zum Frequenzkammgenerator geleitet und dort mittels der sogenannten Transferoszillatortechnik in ein Radiofrequenz- signal umgewandelt. Das auf diese Art erzeugte Signal entspricht einem Schwebungssignal zwischen den beiden Laserfrequenzen und ist unabhängig von unvermeidlichen technischen Fluktuationen der Kammfrequenzen. Für diese Transferoszillatortechnik wird ein spezieller Frequenzumsetzer benötigt, der Radiofrequenzen mit frei wählbaren Quotienten multiplizieren kann. In der PTB ist eigens zu diesem Zweck ein frei programmierbarer Frequenzumsetzer auf der Basis der direkten digitalen Synthese entwickelt worden. Die Frequenz des Nutzlasers wird von einer Regelelektronik immer so nachgestellt, dass die Frequenz des Schwebungssignals konstant bleibt. Damit werden alle Frequenzfluktuationen des Nutzlasers relativ zum Master-Laser herausgeregelt, so dass der Nutzlaser dieselbe Stabilität wie der Master-Laser aufweist.

Da das Licht der beiden Laser über Glasfasern zum Frequenzkammgenerator geschickt wird, können sich die Laser auch in unterschiedlichen Laboratorien bzw. Gebäuden befinden. Die neu entwickelte Technik soll daher zukünftig genutzt werden, um die Stabilität eines zentralen ultrastabilen Lasers auf verschiedene Laser anderer Experimente zu verteilen. Der zentrale Laser wird dabei eine Lichtfrequenz aufweisen, die dem Ziel möglichst hoher Frequenzstabilität angepasst ist. Die Aufgabe, Licht einer ganz bestimmten Frequenz zu emittieren, übernehmen dann die jeweiligen Laser vor Ort.

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