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Verbesserung der Instabilität einer Caesium-Fontänenuhr durch Verwendung eines optisch stabilisierten Mikrowellensignals

03.02.2010

Die bereits im Vorjahr erzielten Verbesserungen der Rauscheigenschaften der Caesium-Fontänenuhr CSF1 haben dazu geführt, dass die Frequenzinstabilität von CSF1 nur noch durch die Zahl der detektierten Atome (Begrenzung durch das Quantenprojektionsrauschen) und die Stabilität des Mikrowellensignals, das zur Abfrage der Atome benutzt wird, bestimmt ist. Letztere ist limitiert durch den für die Mikrowellensynthese verwendeten besonders hochwertigen Quarzoszillator. In einem Demonstrationsexperiment konnte nun gezeigt werden, dass die Begrenzung durch die Stabilität des Mikrowellensignals vermieden werden kann, wenn für dessen Erzeugung ein Mikrowellenoszillator verwendet wird, der mit Hilfe eines schmalbandigen Lasers stabilisiert wird.

Für das Experiment wurde ein Laser benutzt, der normalerweise zur Abfrage des Uhrenüberganges des Yb+-Frequenznormals verwendet wird. Dieser Laser ist auf einen speziellen Resonator hoher Güte stabilisiert und daher extrem rauscharm. Die Stabilität des Laserlichts wurde über einen optischen Frequenzkamm auf einen Mikrowellenoszillator übertragen [1]. Für die Anwendung bei der Fontänenuhr wurde der durch den hochstabilen Laser und den Frequenzkamm vorstabilisierte Mikrowellenoszillator durch das Fontänenausgangssignal wie sonst der Quarzoszillator langsam nachgeregelt [2]. Die in der Abbildung dargestellten Ergebnisse zeigen eine Verbesserung der relativen Frequenzinstabilität von 1,33 . 10-13 auf 7,4 . 10-14 (jeweils bei einer Mittelungszeit von 1 s), was zu einer Verkürzung der Messzeiten um einen Faktor 3,2 führt.

Relative Allan-Standardabweichung σy (τ) als Maß für die Frequenzinstabilität der Fontänenuhr CSF1 als Funktion der Messzeit τ. Blaue Datenpunkte: Betrieb mit Quarzoszillator; rote Datenpunkte: Betrieb mit laserstabilisiertem Mikrowellenoszillator.

Die Experimente zeigten, dass das optisch stabilisierte Mikrowellensignal keinen signifikanten Rauschbeitrag mehr liefert, so dass das Quantenprojektionsrauschlimit erreicht wurde. Damit ist der Weg frei für weitere Verbesserungen der Instabilität durch Erhöhung der in der Fontänenuhr verwendeten Atomzahlen. Verbesserte Instabilitäten kommen nicht nur den benötigten Messzeiten zugute sondern ermöglichen auch genauere Untersuchungen systematischer Frequenzverschiebungen und sind daher auch für zukünftige Reduzierungen der systematischen Gesamtunsicherheit unabdingbar.

Literatur:

 [1]       B. Lipphardt, G. Grosche, U. Sterr, Chr. Tamm, S. Weyers, H. Schnatz, The Stability of an Optical Clock Laser Transferred to the Interrogation Oscillator for a Cs Fountain, IEEE Trans. Instrum. Meas. 58(4), 1258 (2009)

 [2]       S. Weyers, B. Lipphardt, H. Schnatz, Reaching the quantum limit in a fountain clock using a microwave oscillator phase locked to an ultrastable laser, Phys. Rev. A 79, 031803(R) (2009)