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Laserfrequenzstabilisierung auf ein einzelnes Ion

31.12.2006

Bei den auf gespeicherten Ionen basierenden optischen Frequenznormalen wird die atomare Referenzfrequenz an nur einem Ion abgefragt. Um einen Laser als Oszillator des Frequenznormals auf diese Referenz zu stabilisieren, steht daher zwangsläufig nur ein schwaches Signal zur Verfügung. Das Verhalten eines einzelnen Ions oder Atoms kann nur unter Anwendung der Quantentheorie vollständig verstanden werden. So ist auch das im Frequenznormal erreichbare Verhältnis von Signal und Rauschen von einem Quanteneffekt bestimmt: Bei einer einmaligen Abfrage, in welchem von zwei möglichen Energieniveaus (hier "0" und "1" genannt) sich das Atom befindet, kann das Ergebnis nur "0" oder "1" sein und es treten keine Zwischenwerte auf. Ist der Zustand des Atoms vor der Messung immer eine identische Überlagerung von "0" und "1", so liefert eine Folge von Messungen eine nicht vorhersagbare Zufallsfolge von Ergebnissen "0" und "1". Man nennt diesen Effekt "Quantenprojektionsrauschen“ und er ist für den Betrieb eines atomaren Frequenznormals von großer Bedeutung, da hierbei in der Flanke einer atomaren Resonanzlinie gerade eine quantenmechanische Überlagerung von zwei Energieniveaus erzeugt wird. Erst in der zeitlichen Mittelung über einige Einzelmessungen lässt sich ein nutzbares Regelsignal erhalten. In einer theoretischen und experimentellen Arbeit [1] wurde anhand des auf einem einzelnen 171Yb+-Ion basierenden optischen Frequenznormals untersucht, wie sich das vom Quantenprojektionsrauschen überlagerte Signal des Ions optimal abfragen und ausnutzen lässt, um eine möglichst hohe Laserfrequenzstabilität zu erreichen. Die Resonanz des Ions bei 688 THz wurde mit einer Linienbreite von 10 Hz abgefragt. In Differenzmessungen zwischen zwei solchen Normalen wurde experimentell eine relative Instabilität von 9x10-16 nach 100 s Mittelungsdauer erreicht. Damit ist das optische Frequenznormal deutlich stabiler als bisherige Atomuhren im Mikrowellenbereich, obwohl diese das Signal einer großen Zahl von Atomen zur Regelung verwenden. Die quantenlimitierte Stabilität eines Einzelion-Frequenznormals ließe sich weiter steigern, wenn eine noch schmalere Resonanzlinie verwendet würde.


Ionenfallenapparatur des Yb+-Frequenznormals