Realisierung eines optischen Synthesizers

Mittels eines Frequenzkammgenerators wurde die Frequenzstabilität eines für eine optische Calciumuhr entwickelten Diodenlasers auf einen zweiten Laser anderer Wellenlänge übertragen. Der Calcium-Uhrenlaser mit einer Frequenz von 456 THz und einer Linienbreite von 1 Hz ist auf einen Referenzresonator stabilisiert, der unter hohem technischen Aufwand von allen äußeren Störeinflüssen isoliert ist. Seine Stabilität wird nun auf einen zweiten weniger aufwändig stabilisierten Diodenlaser übertragen, der bei einer Frequenz von 429 THz arbeitet und zur Entwicklung einer optischen Gitteruhr mit Strontiumatomen dient.

Für die Entwicklung optischer Atomuhren werden extrem schmalbandige Laser mit einer Frequenzstabilität im Bereich von 10^-15benötigt. Da sich optische Uhren, die auf verschiedenen atomaren Referenzen beruhen, hinsichtlich der Frequenzen ihrer Uhrenübergänge unterscheiden, werden jeweils an diese Frequenz angepasste hochstabile Laser benötigt. In der Arbeitsgruppe 4.31 wurde in diesem Jahr ein Verfahren demonstriert, mit dem die Stabilität eines bestehenden Uhrenlasers auf einen anderen Laser beliebiger Frequenz übertragen wird. Damit lässt sich die Aufgabe, einen hochstabilen Laser für eine bestimmte Frequenz bereitzustellen, in zwei  Aufgaben unterteilen: einem Masterlaser, der auf ultimative Stabilität ausgerichtet ist und einem Nutzlaser, der Licht der benötigten Frequenz emittiert. Diese Art „optischer Synthesizer“ beruht auf einem optischen Frequenzkammgenerator, mit dem sich die Laserfrequenzen von einigen hundert Terrahertz auf einfach zu verarbeitende Radiofrequenzen abbilden lassen. Aus diesen Radiofrequenzsignalen wird mittels der Transferoszillatortechnik ein Schwebungssignal generiert, das unabhängig von technischen Fluktuationen der Kammfrequenzen ist. Dies wird durch einen eigens an der PTB entwickelten universellen programmierbaren Frequenzumsetzer auf der Basis der direkten digitalen Synthese (DDS) ermöglicht. Ein Phasenvergleich zwischen dem Schwebungssignal und einem hochstabilen Referenzsignal dient zur Frequenzstabilisierung des Nutzlasers. Das Verfahren wurde mit einem Diodenlaser demonstriert, der mit einer Frequenz von 456 THz für eine optische Atomuhr mit Calciumatomen entwickelt worden war. Die Stabilität dieses aufwändig stabilisierten und von allen Störeinflüssen isolierten Lasers wurde auf einen Diodenlaser übertragen, der Laserstrahlung von 429 THz liefert und zur Untersuchung und Verbesserung einer optischen Uhr mit Strontiumatomen dient.