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Höchstgenauer Vergleich weit entfernter optischer Frequenzen

31.12.2006

Bei der im Aufbau befindlichen optischen Uhr der PTB wird die Kurzzeitstabilität mit hochstabilen optischen Resonatoren geringster Linienbreite realisiert. Wir konnten im vorigen Jahr zeigen, dass sich die Empfindlichkeit dieser Resonatoren auf Vibrationen, die bisher der begrenzende Einfluss auf die Frequenzstabilität war, durch eine optimierte Lagerung des Resonators um zwei Größenordnungen reduzieren ließ [1]. Zur Charakterisierung der Frequenzstabilität der beiden Abfragelaser für die Calcium- und die Ytterbium-Einzelionenuhr wurde ein faserbasierter optischer Frequenzkamm eingesetzt. Dazu musste der Frequenzkamm eine Frequenzdifferenz von 129 THz zwischen dem Ca-Abfragelaser bei 657 nm (473 THz) und dem Yb+-Abfragelaser bei 871 nm (344 THz) als Subharmonische des Uhrenübergangs bei 435 nm überbrücken.

Die beiden Laser befinden sich in unterschiedlichen Gebäuden, so dass Glasfasern zur Lichtübertragung verwendet werden müssen. Da Vibrationen und Temperaturänderungen der Faser zu Phasenfluktuationen führen, die die Stabilität verringern, wurden zwei der drei beteiligten Faserstrecken aktiv in ihrer Länge stabilisiert


Gemessene Stabilität der Abfragelaser des Calcium- und Ytterbium-Frequenznormals relativ zueinander (grüne Kreise), gegen einen Wasserstoff-Maser (blaue Dreiecke). Dargestellt ist die relative Allan-Standardabweichung σyτ in Abhängigkeit von der Mittelungszeit τ. Zum Vergleich zeigen die roten Quadrate die relative Stabilität beim direkten Vergleich zweier unabhängiger Abfragelaser, die bei derselben Wellenlänge betrieben werden sowie die Stabilität des Masers (violette Linie).

Die damit erreichte Stabilität zeigt Abb. 1. Während die gegen einen Wasserstoff-Maser gemessene relative Stabilität σyτ in einer Sekunde nur 2 . 10-13 beträgt, zeigt der direkte Vergleich des Yb+- und des Ca-Lasers eine etwa 100-fach geringere Instabilität. Sie ist damit für Zeiten größer als eine Sekunde ähnlich gut wie die Stabilität zweier unabhängiger Abfragelaser mit einem Hertz Linienbreite [2] , die bei derselben Wellenlänge betrieben werden. Bei kürzeren Zeiten ist die Stabilität zwischen Ca- und Yb+-Laser etwas erhöht. Dafür sind wahrscheinlich Fluktuationen der optischen Weglängen, die noch nicht stabilisiert sind, verantwortlich. Der Anstieg der Allan-Varianz bei großen Zeiten wird durch die Drift der Referenzresonatoren hervorgerufen.

Mit diesen Messungen konnte demonstriert werden, dass optische Normale mit ihrer gegenüber Mikrowellennormalen sehr guten Kurzzeitstabilität auch bei weit auseinanderliegenden Frequenzen mit einem Femtosekundenlaser-Frequenzkamm verglichen werden können, ohne die Stabilität zu verschlechtern. Das eröffnet die Möglichkeit, ausgehend von einem hochstabilen Laser mit einem Frequenzkamm beliebige optische Frequenzen mit ähnlicher Stabilität zu synthetisieren, ohne dabei aufwändige optische Resonatoren bei den jeweiligen Wellenlängen aufbauen zu müssen.


Literatur:

[1] T. Nazarova, F. Riehle, U. Sterr, Vibration-Insensitive Reference Cavity for an Ultra-Narrow Laser, Appl. Phys. B 83, 531-536 (2006)

[2] H. Stoehr, F. Mensing, J. Helmcke, U. Sterr, Diode Laser with 1 Hz Linewidth, Opt. Lett. 31, 736-738 (2006)