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Ein Uhrenlasersystem basierend auf einem 48 cm langen Glasresonator

04.01.2016

Ein Uhrenlasersystem basierend auf einem 48 cm langen Glasresonator ermöglicht kleinste Instabilität optischer Atomuhren.

In einer optischen Atomuhr wird die Laserfrequenz eines frequenzstabilen Lasers auf einen schmalbandigen atomaren Übergang in einem Ion oder in einem atomaren Ensemble von mehreren tausend Atomen stabilisiert. Die Instabilität solch einer optischen Uhr wird im entscheidenden Maße durch das Frequenzrauschen des Abfragelasers bzw. des Uhrenlasers bestimmt. Mit dem neuen Uhrenlasersystem konnte nun aus Messungen eine Instabilität von 1,6⋅10-16 (τ/s)-1/2 [2] für die stationäre Strontium Gitteruhr [1] der PTB bestimmt werden. Dies ist nach unserenm Kenntnisstand die weltweit kleinste ermittelte Instabilität einer optischen Atomuhr. Damit sind wir nun in der Lage in wesentlich kürzeren Mittelungszeiten systematische Effekte der Uhr zu evaluieren.

Bei dem neuen Uhrenlasersystem [3] wird die Frequenzstabilität des Lichtes durch die Längenstabilität eines 48 cm langen Glasresonators bestimmt (Abb. 1). Durch die extreme Länge kann der Einfluss der Brownschen Fluktuationen - des sogenannten thermischen Rauschens - der Spiegel reduziert werden. Somit werden Längen- und damit Frequenzstabilitäten erreicht, welche ansonsten nur mit aufwendigen bei kryogenen Temperaturen betriebenen kristallinen Resonatoren [4] möglich sind.

Die Frequenzstabilität wird jedoch infolge der extremen Länge empfindlicher auf seismische und thermische Störungen. Durch die Entwicklung und Implementierung einer dynamischen 3-Punktlagerung konnte die Empfindlichkeit auf seismische Störungen erheblich reduziert werden. Des Weiteren wurden die Auswirkungen von zeitlich variierenden Temperaturgradienten über den Resonator durch eine ausgeklügelte Temperaturstabilisierung minimiert. Infolge dieser Maßnahmen konnte eine Laserstabilität von σy = 8⋅10-17 bei einer Mittelungszeit von τ = 15 s und eine extreme Langzeitstabilität von σy = 1⋅10-16 bei 1000 s Mittelungszeit erreicht werden (Abb. 2).

(S. Häfner, FB 4.3, sebastian.haefner@ptb.de)

 

Literatur:

[1]        S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr und C. Lisdat, “A strontium lattice clock with 3×10-17 inaccuracy and its frequency”, New J. Phys. 16, 073023 (2014)

[2]        Ali Al-Masoudi, Sören Dörscher, Sebastian Häfner, Uwe Sterr und Christian Lisdat, ”Noise and instability of an optical lattice clock”, to apper in Phys. Rev. A, arXiv:1507.04949v2 (2015)

 [3]       S. Häfner, S. Falke, C. Grebing, S. Vogt, T. Legero, M. Merimaa, C. Lisdat und U. Sterr, “8×10-17 fractional laser frequency instability with a long room-temperature cavity”, Opt. Lett. 40, 2112-2112 (2015)

[4]        T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, A sub-40 mHz linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity, Nature Photonics 6, 687-692 (2012)

Abb.1:

Gemessene Instabilität des 48 cm langen Glas- Resonators. Die schwarze Kurve zeigt die Instabilität aus dem Vergleich mit 2 weiteren ultrastabilen Lasersystemen. Die rote Kurve zeigt die gemessene Instabilität des Lasersystems gegen die atomare Strontiumreferenz. Es wird nahezu die fundamentale Stabilität, gegeben durch das thermische Rauschen, erreicht  (blaue Kurve).

Abb. 2

Fotografie des 48 cm langen Resonators