08.01.2013
Kürzlich wurde der derzeit stabilste Laser der Welt an der PTB demonstriert [1]. Dieser nutzt die vorzüglichen Eigenschaften eines Siliziumresonators. Allerdings beschränkt das Transmissionsfenster des Materials den Betrieb auf den infraroten Spektralbereich. Möchte man nun diesen herausragenden Referenzlaser benutzen, um die Qualität von optischen Uhren zu verbessern, bieten breitbandige Femtosekundenfrequenzkämme die Möglichkeit, die Stabilität des Referenzlasers über viele hundert Nanometer hinweg in den Spektralbereich des Lasers, der den Uhrenübergang abfragt, zu übertragen [2]. Von diesem Verfahren profitieren insbesondere optische Gitteruhren, deren Stabilität wegen der großen Anzahl gespeicherter und abgefragter Referenzatome im Allgemeinen nicht vom fundamentalen Quantenprojektionsrauschen dominiert wird [3]. Solange dies der Fall ist, skaliert die realisierbare Stabilität und damit die Güte der Gitteruhr im Wesentlichen direkt mit der Kurzzeitstabilität des Abfragelasers.
Um die Leistungsfähigkeit dieses Konzepts zu demonstrieren, wurde die Stabilität des Siliziumreferenzlasers mithilfe eines Frequenzkammes auf den Abfragelaser der 87Sr-Gitteruhr der PTB übertragen. Die Verbesserung der Kurzzeitstabilität des Abfragelasers erlaubt längere kohärente Abfragezeiten des Uhrenübergangs, was die gemessene, Fourier-limitierte Linienbreite um einen Faktor 6 auf 1,5 Hz reduziert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Regelsteilheit anhand derer der abfragende Uhrenlaser auf der atomaren Resonanz gehalten wird. Eine alternierende Stabilisierung, in der zwei getrennte Regelungen einen Laser auf einer Realisierung des Uhrenüberganges halten, liefert ein Maß für die Kurzzeitstabilität des Systems. Auch hier erreichte man eine etwa 6-fach geringere Instabilität von 4,5·10-16 (τ/s)-1/2. Dies wirkt sich unmittelbar auf den Uhrenbetrieb aus, da sich die Mittelungszeiten für viele Experimente um einen Faktor 30 reduzieren [4].
Da prinzipiell ein Stabilitätstransfer über den gesamten Spektralbereich des Frequenzkamms möglich ist, erlaubt es dieses Konzept, sich auf einen einzigen herausragenden Oszillator zu konzentrieren, dessen Stabilität dann simultan auf verschiedene Uhren übertragen werden kann.
(a) Gemessene Anregungswahrscheinlichkeit einer Zeeman-Komponente des 87Sr Uhrenübergangs nachdem die Stabilität des infraroten Referenzlasers (1.5 µm) auf den Abfragelaser im sichtbaren Spektralbereich (0.7 µm) übertragen wurde.
(b) Aus dem Fehlersignal der Regelung auf den Uhrenübergang abgeleitete Stabilität der Sr-Gitteruhr mit (rot) und ohne (blau) Stabilitätsübertragung.
Literatur:
[1] T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, J. Ye, A sub-40 mHz linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity, Nat. Photon. 6, 687 (2012)
[2] H. Telle, B. Lipphardt, J. Stenger, Kerr-lens, mode-locked lasers as transfer oscillators for optical frequency measurements, Appl. Phys. B 74, 1 (2002)
[3] W. M. Itano, J. C. Bergquist, J. J. Bollinger, J. M. Gilligan, D. J. Heinzen, F. L. Moore, M. G. Raizen, D. J. Wineland, Quantum projection noise: Population fluctuations in two-level systems, Phys. Rev. A 47, 3554 (1993)
[4] C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, St. Falke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, U. Sterr, Providing 10-16 short-term stability of a 1.5 µm laser to optical clocks, (submitted to IEEE Trans. Instrum. Meas.)