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Kampf dem thermischen Rauschen – Neuartige ultrastabile Resonatoren für optische Uhren

08.10.2010

Die besten heutigen optischen Uhren sind durch die Qualität des Abfragelasers auf eine relative Frequenzinstabilität von σy(1 s) ≈ 10-15 begrenzt. Die Frequenz  des Abfragelasers ist bei diesen Uhren durch die Resonanzfrequenz eines optischen Fabry-Perot-Resonators bestimmt, der als „Schwungrad“ für die Laserfrequenz zwischen den diskreten Abfragezeiten dient. Längenfluktuationen des Resonators wirken sich direkt auf die Frequenz des Abfragelasersystems aus und limitieren so die Stabilität der optischen Uhr. Die größten Längenfluktuationen in dem für den Uhrenübergang relevanten Mittelungsbereich von 1 s – 10 s entstehen aufgrund der Brownschen Molekularbewegung im optischen Resonator, dem so genannten „thermischen Rauschen“. Diese Rauschen hängt von den mechanischen Verlusten der Materialien des Resonators ab. Da diese Materialien zugleich eine sehr geringe Temperaturausdehnung besitzen müssen, ist die Auswahl hier sehr eingeschränkt. So besitzt das häufig eingesetzte Ultra-Low-Expansion (ULE) Glas nur eine relativ geringe mechanische Güte und seine Länge „schrumpft“ zudem durch Alterungsprozesse mit ca. ΔL/L ≈ 10-16

Das in das Exzellenzcluster QUEST eingegliederte Forschungsprojekt Sub-Hz lasers and high performance cavities beschäftigt sich mit neuartigen Ansätzen zur Erniedrigung des thermischen Rauschens und damit der Verbesserung der Frequenzstabilität der optischen Resonatoren. Innerhalb dieses Projektes konnte in diesem Jahr der weltweit erste ultrastabile Referenzresonator mit einem Silizium-Einkristall als Abstandshalter mit hoher mechanischer Güte fertig gestellt werden (Fig 1). Im Gegensatz zu auf ULE als Material basierenden Resonatoren, welche bei Raumtemperatur betrieben werden, ist bei Silizium eine Abkühlung auf eine Temperatur von ca. -150 °C erforderlich, da bei dieser Temperatur die thermische Ausdehnung minimal ist. Dazu wurde ein vibrationsarmer Kryostat entwickelt und in diesem Jahr fertig gestellt und getestet. Mit diesem Resonator wird eine thermische Frequenzinstabilität von σy < 10-16 erwartet. Die Frequenz eines 1,5 µm Faserlasers wurde mit dem Resonator stabilisiert. Aus der gemessenen temperaturabhängigen Längenausdehnung des Resonators wurde der optimale Arbeitspunkt bestimmt. Eine erste Charakterisierung der Frequenzstabilität des neuen Lasersystems im Vergleich mit einem 10 cm langen Resonator aus ULE lieferte eine relative Instabilität von 4⋅10-15 , welche ausschließlich durch die Instabilität des Vergleichsresonators begrenzt ist. Um die Instabilität des Lasersystems zu vermessen wird momentan ein zweites Lasersystem ähnlicher Stabilität konzipiert und aufgebaut.

Gemessene temperaturabhängige Längenausdehnung des Silizium-Resonators. Der Nullpunkt der Längenausdehnung liegt bei 124 K.

Fotografie des 20 cm langen optischen Resonators aus monokristallinem Silizium