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Neuartige Kurzzeitreferenz für optische Uhren

31.12.2005

Frequenzstabile Laseroszillatoren sind ein wesentlicher Bestandteil optischer Uhren, die auf der Stabilisierung des Lasers auf einen atomaren Übergang basieren. Die atomare Referenz liefert eine hohe Langzeitstabilität, während die Anbindung an einen stabilen Resonator hoher Finesse für die Reduzierung der spektralen Linienbreite bzw. die Erhöhung der Kurzzeitstabilität sorgt. Um Laser mit Sub-Hertz Linienbreiten realisieren zu können, muss die optische Weglänge des Referenzresonators möglichst stabil gehalten werden. Daher werden die Resonatoren bisher aufwändig in mehreren Stufen temperatur- und vibrationsisoliert. Auf diese Weise wurden beim Ca-Frequenznormal Linienbreiten von einem Hertz erreicht.

In diesem Jahr ist es gelungen, die Vibrationsempfindlichkeit der Resonatoren um zwei Größenordnungen durch eine neuartige Halterung zu reduzieren, die durch Simulation mit Finite-Elemente-Methoden entwickelt wurde (Bild 1). Der Resonator, in der Arbeitsgruppe „Fertigungstechnologie“ der PTB entsprechend bearbeitet, wird an vier Punkten derart unterstützt, dass sein Gewicht durch elastische Lagerung symmetrisch auf den Auflagepunkten verteilt wird. Bei Vibrationen werden Längenänderungen des Resonators durch Kompression der oberen Hälfte und Expansion der unteren Hälfte entlang der optischen Achse ausgeglichen (Bild 2). Dadurch (Bild 3) sind jetzt Vibrationsempfindlichkeiten vertikal von 1,5 kHz/(m/s2) und horizontal von 13 kHz/(m/s2) erreicht worden. Kombiniert mit einer einfachen passiven Vibrationsisolierung, z. B. mit einem Federsystem, tragen somit Vibrationen aus der Umgebung nur noch mit maximal 30 mHz zur Linienbreite bei.

Diese Entwicklung ist eine wichtige Voraussetzung für kompakte, transportable optische Uhren und auch für daraus mit Kammgeneratoren abgeleitete hochstabile Radiofrequenzen.


Bild 1: Schematische Resonatorhalterung: Einwirkende Kräfte werden durch eine elastische Halterung symmetrisch auf den vier Auflagepunkten verteilt.


Bild 2: Mit der Finite-Elemente-Methode simulierte Längenänderung des Resonators (in m) entlang der optischen Achse unter dem Einfluss einer vertikalen Beschleunigung von 10 m/s2.


Bild 3: Im Wärmeschutzschild gelagerter Resonator