05.02.2014
Die besten heutigen Laser sind in Ihrer Frequenzstabilität durch thermische (Brownsche) Fluktuationen der Länge ihres Referenzresonators begrenzt. Mit einem einkristallinen, auf 124 K abgekühlten Silizium-Resonator war es der PTB im letzen Jahr gelungen, diese Grenze bis unter 10-16 zu senken und eine Laser-Linienbreite von ca. 40 mHz zu erreichen [1].
In diesem Jahr haben wir dieses Lasersystem bei einer Wellenlänge von 1,5 µm dazu benutzt, den Anregungslaser bei 689 nm der optischen Gitteruhr der PTB [2] zu verbessern [3]. Zur Überbrückung der Wellenlängendifferenz wurde ein optischer Frequenzkamm als Transfer-Oszillator benutzt. Um die hervorragende Stabilität bei der Übertragung von einer zur anderen Wellenlänge nicht zu verschlechtern, wurden umfangreich Untersuchungen der möglichen Rauschbeiträge eines faserbasierten optischen Frequenzkammes durchgeführt.
Durch die lange Kohärenzzeit der Laserstrahlung ließ sich jetzt der 1S0 − 3P0 Uhren-Übergang der 87Sr-Gitteruhr mit bis zu eine Sekunde langen Lichtpulsen effektiv anregen. Der Uhrenübergang konnte nun mit einer Fourier-begrenzten Linienbreite von 1,5 Hz gegenüber zuvor 10 Hz aufgelöst werden [3]. Mit diesem Laser verbesserte sich die Stabilität der optischen Uhr auf einen neuen Bestwert von 4,5×10-16 bei einer Sekunde Mittelungszeit. Sie ist damit gleichauf mit den bislang weltweit stabilsten optischen Uhren am NIST und JILA. Aufgrund dieser hohen Stabilität kann jetzt die gleiche Unsicherheit in einer 30-fach kürzeren Messzeit erzielt werden. Dies vereinfacht zum Einen die Untersuchung systematischer Störungen der Sr Gitteruhr; kommt aber auch Anwendungen, z. B dem Frequenzvergleich mit anderen Uhren zugute.
Spektren einer Zeeman-Komponente des 87Sr Uhrenübergangs mit dem früheren Laser (10 Hz Linienbreite) und mit der vom kryogenen Silizium-Resonator transferierten Stabilität (1,5 Hz Linienbreite)
Stabilität der Sr Gitteruhr. Die Daten wurden aus zwei ineinander geschachtelten Messungen an derselben Uhr abgeschätzt. Die obere Kurve stellt die Stabilität mit dem früheren System basierend auf einem Raumtemperatur-Glasresonator dar; die untere jene mit dem kryogenen Silizium-Resonator.
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] S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, "The 87Sr optical frequency standard at PTB", Metrologia 48, 399-407 (2011)
[3] C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, "Providing 10-16 short-term stability of a 1.5 µm laser to optical clocks", IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556-1562 (2013)