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Silizium-Resonator liefert Laserstrahlung bisher unerreichter Stabilität

07.01.2013

Durch die Realisierung eines Lasersystems mit bisher unerreicht kleiner Frequenzinstabilität konnte ein wichtiges Hindernis bei der Entwicklung noch besserer optischer Atomuhren aus dem Weg geräumt werden. Bisherige resonatorstabilisierte Lasersysteme basierten auf Glasresonatoren und waren zu instabil, um die Leistungsfähigkeit optischer Atomuhren ausschöpfen zu können. Das neue Lasersystem verwendet einen Resonator aus Silizium und ermöglicht eine um den Faktor zehn verbesserte Frequenzinstabilität.

Eine fundamentale Begrenzung in der zu erreichenden Frequenzinstabilität eines resonatorstabilisierten Lasers ist durch das thermische Rauschen des verwendeten Referenzresonators gegeben. Der in einer Forschungskooperation mit dem amerikanischen NIST/JILA und innerhalb des Exzellenzclusters „QUEST“ entwickelte Silizium-Resonator weist aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften ein um etwa eine Größenordnung erniedrigtes thermisches Rauschen auf als bisherige Resonatoren aus Glas. Über erste Erfolge konnte bereits im vergangenen Jahr berichtet werden.

Der neue Laser wurde durch Vergleichsmessungen mit zwei konventionellen Lasersystemen sorgfältig charakterisiert. Die Resultate, die nun im Fachjournal Nature Photonics veröffentlicht wurden, weisen für den Silizium-Resonator stabilisierten Laser eine Instabilität von bis zu 1·10-16 nach (siehe Abbildung). Weiterhin konnte für die spektrale Breite ein Wert von 40 mHz als obere Grenze angegeben werden.

Ein weiterer Vorteil des Silizium-Resonators liegt in der hervorragenden Längenstabilität des Materials. Glasresonatoren zeigen eine stetige Drift ihrer Länge, welche durch Reorganisationsprozesse im amorphen Material verursacht wird. Der aus einem Einkristall gefertigte Silizium-Resonator weist ausschließlich eine temperaturabhängige Ausdehnung auf, die bei einer Betriebstemperatur von 124 K verschwindend klein wird. In Langzeitmessungen gegen einen Wasserstoffmaser konnte eine lineare Drift von 10.5 Hz in drei Tagen erzielt werden, ein Wert, der etwa drei Größenordnungen unter der eines Glasresonator stabilisierten Lasers und nur eine Größenordnung über der Langzeitdrift des Masers liegt.

Für die zum Betrieb der optischen Uhren aufgebauten Lasersysteme der PTB steht nun eine vorzügliche Referenz zur Verfügung, die über einen „optischen Knoten“ nahezu verlustfrei in andere Spektralbereiche weitergegeben werden kann. Sowohl die Strontium-Gitteruhr als auch die Ytterbium-Ionenuhr der PTB konnten bereits von der außergewöhnlichen Stabilität des Silizium-Resonators profitieren.

Individuelle fraktionale Instabilität der resonatorstabilisierten Laser ausgedrückt in der modifizierten Allan Abweichung. Mit dem Silizium-Resonator basierten Lasersystem konnten unerreichte Instabilitäten von 1·10-16 nachgewiesen werden. Inset: Frequenzdrift des Si-stabilisierten Lasers gemessen gegen einen Wasserstoffmaser (H8 der PTB, 1000s Mittelwerte, ν0=194 THz). Die beobachtete lineare Drift von 3.5 Hz pro Tag liegt etwa drei Größenordnungen unter der eines Glasresonator stabilisierten Lasersystems und eine Größenordnung über der Drift des Masers (0.2 Hz/Tag).