28.01.2010
Für physikalische Grundlagenexperimente und zum Aufbau optischer Uhren werden hochstabile Laser benötigt und weiterentwickelt, wobei einige der weltweit besten Uhren sind durch ihre Uhrenlaser limitiert sind. Die Weiterentwicklung optischer Uhren und hochstabiler Laserquellen mit einer relativen Instabilität nahe oder unter 10-15 bei einer Sekunde erfordert den Vergleich mit ähnlich stabilen Referenzen. Transportable Systeme sind jedoch noch nicht verfügbar, ein Vergleich per Satellit ergibt viel zu lange Mittelungszeiten. An der PTB werden Uhrenlaser für drei optische Uhren (Ca, Sr und Yb+), bei 657 nm, 698 nm und 871 nm betrieben. Mittels Frequenzkammgeneratoren vergleichen wir diese benachbarten Laser untereinander und übertragen ihre Stabilität auf einen Faserlaser bei 1542 nm, dessen Licht durch optische Telekommunikationsfasern auch über weite Strecken geführt werden kann.
Wir haben eine aktiv stabilisierte Faserstrecke von 73 km Länge aufgebaut, die die PTB mit dem Magnesium-Uhrenlabor des Instituts für Quantenoptik an der Universität Hannover verbindet. Ziel ist, die Kurzzeitstabilität der dortigen Uhrenlaser zu ermitteln und die optische Frequenz des Uhrenübergangs im Magnesium zu messen. Zunächst wurde die Faserverbindung selbst charakterisiert, und bis an die physikalischen Grenzen optimiert [1]. Zwei stabilisierte Fasern in Serie, die mit einer Gesamtlänge von 146 km von der PTB nach Hannover und wieder zurück laufen, ergeben für die übertragene Frequenz eine Restinstabilität von 3×10-15 in einer Sekunde; bei optimaler Messbandbreite erreichen wir sogar 5×10-17 in einer Sekunde Messzeit. Für lange Messzeiten wird die relative Unsicherheit für die Frequenzübertragung kleiner 10-19.
Nun benutzen wir den Faserlink, um den optischen Frequenzstandard in Hannover zu vermessen [2]. Der Faserlaser bei 1542 nm ist via fs-Frequenzkammgenerator an den Ca-Uhrenlaser der PTB bei 657 nm angeschlossen. Dieses Licht wird über eine 73 km lange, aktiv stabilisierte Faser in das Uhrenlabor in Hannover geführt, und dort mittels eines zweiten Frequenzkammgenerators mit dem lokalen optischen Frequenzstandard bei 914 nm verglichen. Erstmalig steht also die hervorragende Stabilität und Genauigkeit eines Uhrenlasers der PTB (etwa 2×10-15 in 1s) für Messungen in einer anderen Stadt zur Verfügung.
Bild 1 zeigt die relativen Frequenzfluktuationen zwischen einem Mg-Uhrenlaser bei 914 nm und der transferierten Referenzfrequenz bei 1542 nm [2]. Bei 1 s ist die Instabilität des Mg-Lasers etwa 5×10‑15. Mit optimierter Messbandbreite werden noch schnellere und genauere Messungen möglich, die Messauflösung liegt nach 1s bei 7×10-17. Damit können – in Echtzeit – auch geplante, noch stabilere Uhrenlaser und optische Uhren per Faser untereinander verglichen werden.
Abb.: Instabilität des Mg-Uhrenlasers (L2) gemessen gegen die transferierte Referenzfrequenz der PTB (TL), sowie berechnete Beiträge der Instabilität der Faserstrecke. Die Messbandbreite wurde optimiert („ModADEV“) oder auf > 1 kHz fest eingestellt („ADEV“), siehe [2]. Rauschbeiträge der Faserstrecke werden bei optimierter Messbandbreite signifikant unterdrückt. Damit verbessert sich die Auflösung auf etwa 2×10-15 bei 0.1 s und unter 10-16 bei 1 , sodass hochauflösende Echtzeitmessungen per Faser möglich sind.
Literatur:
[1] G. Grosche, O. Terra, K. Predehl, R. Holzwarth, B. Lipphardt, F. Vogt, U. Sterr, and H. Schnatz, Optical frequency transfer via 146 km fiber link with 10-19 relative accuracy, Opt. Lett. 34, 2270–2272, (2009)
[2] A. Pape, O. Terra, J. Friebe, M. Riedmann, T.Wübbena, E.M. Rasel, K. Predehl B. Lipphardt, H. Schnatz, and G. Grosche, Long distance remote characterization of ultrastable lasers via commercial telecommunication fiber network, arXiv:0908.4238v1, eingereicht bei Opt. Lett. (2009)