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Langzeitvergleich: Frequenzmessungen mit zwei Kurzpulsfaserlasern stimmen auf mHz überein

31.12.2005

Faserbasierte Femtosekundenpulslaser emittieren optische Frequenzkämme und verbinden über die Pulswiederholrate den Radiofrequenzbereich (108 Hz) mit dem optischen Spektralbereich (1014 Hz). Sie bilden das „Uhrwerk“ für künftige höchststabile optische Uhren, die als Referenz – also als „Pendel“ – einen optischen Übergang nutzen werden. Die Präzision dieses faserbasierten „Uhrwerks“ wurde nun durch einen Langzeitvergleich zwischen zwei unabhängigen Faserfrequenzkämmen untersucht.

Einer der Faserfrequenzkämme wurde gemeinsam mit der Universität Konstanz entwickelt, der zweite entstand im Rahmen eines gemeinsamen, von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten, Projekts mit der Universität Hannover in Kooperation mit der Firma Menlo. Die Frequenz des Spektroskopielasers für das Yb- Frequenznormal wurde mit beiden Faserfrequenzkämmen gleichzeitig gemessen. Dabei ergaben sich Übereinstimmungen von wenigen Milli-Hertz; das entspricht einer relativen Unsicherheit von unter 10-16. Die Allan-Standardabweichung der Differenzfrequenz beider Frequenzkämme ist im Bild dargestellt.

requenzvergleiche bei einer Wellenlänge von 871 nm, die im Yb+Ion-Frequenznormal verwendet wird, sowie bei 1543 nm, also im optischen Telekommunikationsfenster [1], zeigten Übereinstimmungen auch über einen breiten spektralen Bereich. Diese Ergebnisse bedeuten einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg, Faserfrequenzkämme in der Frequenzmetrologie einzusetzen, und legen den Grundstein zum Betrieb einer optischen Uhr mit bisher unerreichter Präzision.


Vergleich zweier Frequenzkämme. Gezeigt ist die Allan-Standardabweichung der Absolutfrequenz gemessen mit Kamm I und Kamm II (obere Kurve) und der Differenz der von beiden Kämmen gemessenen Absolutfrequenz des optischen Frequenznormals (untere Kurve).


Literatur:

[1] P. Kubina, P. Adel, F. Adler, G. Grosche, T. W. Hänsch, R. Holzwarth, A. Leitenstorfer, B. Lipphardt, and H. Schnatz, Long term comparison of two fiber based frequency comb systems, Opt. Express 13, 904-909 (2005), 

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