Frequenzstabilisierung eines hochstabilen Lasersystems bis zum Thermischen-Rausch-Limit und Berechnungen eines Laser-Synergie-Konzeptes

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Rühmann, Steffen: Frequenzstabilisierung eines hochstabilen Lasersystems bis zum Thermischen-Rausch-Limit und Berechnungen eines Laser-Synergie-Konzeptes. Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Universität, Diss., 2018, viii, 112, xxxviii S. DOI: https://doi.org/10.15488/4304

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Frequenzen sind die am präzisesten messbaren physikalischen Größen. Viele Messprinzipien und Geräte basieren daher primär auf der Bestimmung der Phase und Frequenz eines genauen und stabilen Oszillators. Die präzise Bestimmung der Zeitintervalle verbessert sich mit der Erhöhung der Frequenz des periodischen Signals des Frequenzstandards. Optische Frequenzen sind gegenüber den MikrowellenAtomuhren, die aktuell noch die SI-Sekunde defnieren, um etwa vier bis fünf Größenordnungen höher und können potentiell um diesen Faktor genauer sein.Die Entwicklung des optischen Frequenzkammgenerators im Jahr 1998 von derGruppe um Theodor W. Hänsch [1, 2], welche 2005 mit dem Physik-Nobelpreisgewürdigt wurde, hat dabei den Fortschritt der Atomuhren im optischen Bereichstark beschleunigt. Die derzeit präzisesten optischen Atomuhren erreichen inzwischen Instabilitäten und Ungenauigkeiten in der Größenordnung von 10^{−18} [3], was einem Gangunterschied von weniger als einer Sekunde in einem Zeitraum entsprechend dem Alter des Universums entspricht.Um die bestmögliche Präzision bereits in kurzen Zeitskalen zu erreichen wird einhochstabiler Lokaloszillator benötigt, welcher die atomare Referenzfrequenz anregen und mit einer entsprechenden Stabilität zwischen den jeweiligen Messzyklen halten kann. Inzwischen liegt die erreichbare Genauigkeit atomarer Referenzen deutlich über der Stabilität der Oszillatoren. Eine Verbesserung der Stabilität von Lokaloszillatoren ist daher ein wichtiger Forschungsschwerpunkt innerhalb des Bereichs der optischen Atomuhren [4].In dieser Arbeit zeige ich die Methode einer Stabilisierung eines Lokaloszillators,wie er für die Abfrage des in Entwicklung befndlichen Frequenzstandards basierend auf atomaren neutralem Magnesium-24 eingesetzt wird, bis zum Limit desberechneten thermischen Rauschens. Es werden Instabilitäten von 4 · 10^{−16} in 1 Sekunde erreicht mit Spitzenwerten von 2 · 10^{−16} für längere Mittelungszeiten,was unter dem berechneten thermischen Rauschen liegt, allerdings im Rahmen derstatistischen Unsicherheit. Ebenso konnte die Langzeitstabilität verbessert werden.Auf eine einheitliche Resonatorlänge skaliert erreicht dieses Laserystem im weltweiten Vergleich hypothetisch nach publizierten Resultaten meines Wissens nach unter den bei Raumtemperatur stabilisierten Lasersystemen sogar die geringste Instabilität im Zeitbereich von 4 - 40 Sekunden. Die aktuell beste Instabilität (etwa einer Größenordnung besser) wird allerdings von einem Lasersystem erreicht, welches auf einen bei kryogenen Temperaturen stabilisierten Siliziumresonator referenziert ist [5].Ein weiterer Forschungsschwerpunkt in meiner Arbeit ist die theoretische Evaluierung eines Laser-Synergie-Konzeptes und der Einfluss auf die Instabilität füreine Kurzzeitreferenz: Ich erläutere ein Konzept, wie Lasersysteme, die abseits desForschungsbereichs von Atomuhren entwickelt wurden, ebenfalls zur Verbesserungeines Frequenzstandards genutzt werden könnten. In meinen Berechnungen zeigeich die potentiell erreichbaren Instabilitäten, die deutlich unter denen aktuellerUhrenlasersysteme liegen.Ebenso habe ich im Rahmen dieser Arbeit den aktuellen Faserlinkaufbau zwischen der PTB und dem IQ charakterisiert. So konnte ich bereits erste Laservergleiche realisieren und frühere Limitierungen für einen Frequenzvergleich derMg-Gitteruhr, der inzwischen durchgeführt wurde, ausgeschlossen werden.
Frequencies are the physical values which can be measured most precisely. Manymeasurement principles and devices are therefore based on the determinination ofthe phase and frequency of an accurate and stable oscillator. The precise determination of time intervals improves with increasing frequency of the periodic signal explicited as frequency standard.Optical frequencies are about four to fve orders of magnitudes larger compared to current microwave frequency standards, which still defne the SI-second, and have therefore a larger potential. The development of the frequency comb in the year 1998 increased the advance in optical clock technologies. Due to their importance in frequency measurements its development was awarded with the Nobel Prize in 2005.An atomic reference defnes the accuracy of such a frequency. For that purpose itneeds to be well isolated from environmental disturbances. Current most preciseoptical clocks achieve instabilities and accuracies in the order of 10^{−18} [3]. Thiswould correspond to an accuracy of one second compared to the age of the universe.To achieve such a precision in short time scales an ultrastable local oscillator is necessary, which is capable of adressing the ultranarrow atomic transition and stays that stable in between the measurement cycle time. The achievable accuracy of these atomic references exceed the instabilites of the oscillators and therefore those became a limiting factor. So currently the improvement in the stability of theselocal oscillators is an important feld of research [4].In this work I show how to stabilize a laser to its fundamental limit, which isthe brownian thermal noise and therefore to push the limits for future setups.Instabilities in the order of 4 · 10^{−16} in 1 second are achieved with best values of2 · 10^{−16} for integration times of a few ten seconds, which is even below the calculated thermal noise floor, but still as part of the statistical error. Additionally thelong term performance could be improved. Compared to other room temperaturebased systems scaled to the same resonator length it achieves the lowest instabilityin the time scale of 4 - 40 seconds. The best published instability of a lasersystemis the cryogenic silicon resonator based lasersystem which is almost one order ofmagnitude better [5].Another part of this work is the theoretical evaluation of a laser-synergy-conceptto improve the short term stability of clock laser systems. I explain this concepttaking laser systems into account, which originally were not ment for use in atomic clock systems. Specifcally I looked into the potential of gravitational wavedetector systems. I show calculations, which indicate an improvement of clock laser systems.Additionally in this work I completed the current implementation of the fiberlink between PTB and IQ and characterized its performance. I realized first lasercomparisons and I could exclude former limits for frequency measurements, whichwhere already succesful in the meantime.
Lizenzbestimmungen: CC BY 3.0 DE
Publikationstyp: doctoralThesis
Publikationsstatus: publishedVersion
Erstveröffentlichung: 2018
Die Publikation erscheint in Sammlung(en):QUEST-Leibniz-Forschungsschule
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