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

Abstract

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 der Gruppe um Theodor W. Hänsch [1, 2], welche 2005 mit dem Physik-Nobelpreis gewürdigt wurde, hat dabei den Fortschritt der Atomuhren im optischen Bereich stark 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 ein hochstabiler 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 des berechneten 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 der statistischen 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 für eine Kurzzeitreferenz: Ich erläutere ein Konzept, wie Lasersysteme, die abseits des Forschungsbereichs von Atomuhren entwickelt wurden, ebenfalls zur Verbesserung eines Frequenzstandards genutzt werden könnten. In meinen Berechnungen zeige ich die potentiell erreichbaren Instabilitäten, die deutlich unter denen aktueller Uhrenlasersysteme 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 der Mg-Gitteruhr, der inzwischen durchgeführt wurde, ausgeschlossen werden.

Frequencies are the physical values which can be measured most precisely. Many measurement principles and devices are therefore based on the determinination of the 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 it needs to be well isolated from environmental disturbances. Current most precise optical clocks achieve instabilities and accuracies in the order of 10^{−18} [3]. This would 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 these local oscillators is an important feld of research [4]. In this work I show how to stabilize a laser to its fundamental limit, which is the 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 of 2 · 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 the long term performance could be improved. Compared to other room temperature based systems scaled to the same resonator length it achieves the lowest instability in the time scale of 4 - 40 seconds. The best published instability of a lasersystem is the cryogenic silicon resonator based lasersystem which is almost one order of magnitude better [5]. Another part of this work is the theoretical evaluation of a laser-synergy-concept to improve the short term stability of clock laser systems. I explain this concept taking laser systems into account, which originally were not ment for use in atomic clock systems. Specifcally I looked into the potential of gravitational wave detector systems. I show calculations, which indicate an improvement of clock laser systems. Additionally in this work I completed the current implementation of the fiber link between PTB and IQ and characterized its performance. I realized first laser comparisons and I could exclude former limits for frequency measurements, which where already succesful in the meantime.