Phasenkorrektur für optische Atomuhren

  • 05. February 2018

Störungsfreies Laserpuls-Schema für Präzisionsmessungen an Atomen entwickelt.

Optische Atomuhren ticken mit extrem hohenen Frequenz von Laser­licht. Mit geeigneten Messver­fahren muss dafür gesorgt werden, dass die Laser­frequenz selbst­tätig genau auf die ungestörte Übergangs­frequenz zwischen zwei atomaren Energie­zuständen stabi­lisiert wird. Um Störungen zu vermeiden, befinden sich die Referenz­atome im Vakuum in maßge­schneiderten Fallen, sodass sie bei der Anregung durch das Laserlicht vor Einflüssen aus der Umgebung möglichst gut geschützt sind. Die Übergangs­frequenz kann jedoch auch durch die Wechselwirkung der Atome mit dem anregenden Licht gestört werden. Wissen­schaftler der Physi­kalisch-Tech­nischen Bundes­anstalt PTB haben nun ein neues experi­mentelles Verfahren entwickelt, mit dem Störungen durch die Anregung der Atome vollständig eliminiert werden. Durch Vergleichs­messungen zwischen zwei 171Yb+-Einzelionen­uhren wird die Wirksamkeit des Verfahrens demons­triert.

Abb.: Ein Blick in den Versuchsaufbau der optischen Einzelionenuhr. (Bild: PTB)

Abb.: Ein Blick in den Versuchsaufbau der optischen Einzelionenuhr. (Bild: PTB)

Von Norman Ramsey stammt die bahn­brechende Idee, für spektro­skopische Präzisions­messungen Atome mit zwei Hoch­frequenz- oder Licht­pulsen anzuregen, die durch eine Dunkelzeit getrennt sind. Der erste Puls startet dabei eine Schwingung zwischen den atomaren Zuständen. Mit dem zweiten Puls wird geprüft, ob die Frequenz des Lasers und der atomaren Schwingung während der Dunkel­zeit gleich waren oder ob sich ein Phasen­unterschied zwischen Atom und Laser ergeben hat. Mit steigender Dunkel­zeit verbessert sich die Schärfe des atomaren Resonanz­signals, und Mess­fehler durch die kurze Wechsel­wirkung der Atome mit dem Laserlicht werden reduziert. Aufgrund dieser Vorteile nutzen beispiels­weise auch Cäsium-Fontänenuhren, mit denen gegen­wärtig die SI-Einheit Sekunde realisiert wird, ein Ramsey-Anregungs­schema im Mikrowellen­bereich.

Atomuhren mit Referenz­übergang im optischen Spektral­bereich über­treffen inzwischen die Genauig­keit der besten Cäsium­uhren um etwa das Hundert­fache. Hier reicht bei einigen Systemen das konven­tionelle Ramsey-Verfahren nicht mehr aus, um den verblei­benden Effekt der Wechsel­wirkung zwischen Atomen und Laser­pulsen oder anderer mit der Anregung verbundener Störungen vernach­lässigbar zu machen. Das jetzt ent­wickelte Anregungs­verfahren löst dieses Problem durch zwei Änderungen am Ramsey-Schema: Zum einen werden neben Messungen mit langer Dunkelzeit auch Messungen mit iden­tischen Pulsen und kurzer Dunkelzeit durchgeführt. Zum anderen gibt es für den zweiten Puls eine einstell­bare Phasen­korrektur, die in langen und kurzen Mess­sequenzen gleich ist.

Tatsächlich reichen diese beiden Maßnahmen aus, Störungen durch die Wechsel­wirkung zwischen Licht und Atomen voll­ständig zu vermeiden. Die Ergeb­nisse von Messungen mit langer und kurzer Dunkelzeit werden durch solche Störungen in gleicher Weise beein­flusst. Es wäre also möglich, das Mess­ergebnis der kurzen Sequenz als Korrektur für die Messungen mit langen Sequenzen zu benutzen und die Laser­frequenz mit dem resul­tierenden Signal zu stabi­lisieren. In diesem Fall verbleibt allerdings bei kurzen und langen Sequenzen ein Phasen­unterschied zwischen Atom und Laser, der bei Frequenz­schwankungen des Lasers zu einem unsymme­trischen Verhalten der Frequenz­regelung und damit zu einem Regel­fehler führt. Nutzt man aber die Phasen­korrektur und stellt sie so ein, dass der in der kurzen Mess­sequenz bestimmte Phasen­unterschied kompen­siert wird, liefern die langen Mess­sequenzen ein fehler­freies Signal, mit dem die Laser­frequenz auf die unge­störte atomare Übergangs­frequenz stabi­lisiert wird.

Die Forscher veri­fizierten die vorteil­haften Eigen­schaften des neuen Anregungs­verfahrens durch den Vergleich zwischen zwei Einzel­ionenuhren, die einen Übergang in 171Yb+ nutzen, dessen Frequenz sehr stark durch das anregende Laser­licht verschoben wird. Eine der Uhren wurde mit dem neuen Anregungs­schema betrieben, und hier wurden absicht­lich Varia­tionen der Lichtver­schiebung und Änderungen der Pulsform eingeführt, die um mehrere Größen­ordnungen größer waren als die unter normalen Bedin­gungen erwarteten Störungen. Dennoch zeigte sich, dass die Ausgangs­frequenz der Uhr innerhalb der relativen statis­tischen Vergleichs­unsicherheit von etwa 10-16 unver­ändert blieb. Da Ramsey-Verfahren in einer breiten Palette von Präzisions­messungen verwendet werden, werden neben der Ytterbium-Uhr sicher auch andere Anwen­dungen von der neuen Methode profi­tieren.

PTB / JOL

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