Geländetaugliche Präzisionsoptik

  • 19. February 2018

Robuste Frequenzverdopplungseinheit für transportable optische Atomuhren entwickelt.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt ist in Deutschland für die Aussendung der gesetzlichen Zeit, etwa für Funkuhren, zuständig. Dazu betreibt sie einige der besten Cäsium-Atomuhren der Welt. Gleichzeitig werden hier schon mehrere Atomuhren der nächsten Generation entwickelt. Diese Uhren basieren nicht mehr auf einem Mikrowellen­übergang in dem Element Cäsium, sondern auf anderen Atomen, die mit optischen Frequenzen angeregt werden. Einige dieser neuen Uhren sind sogar transportabel.

Abb.: Die Laser-Aufbauten der optischen Aluminiumuhr, die am QUEST-Institut an der PTB entwickelt wird. (Bild: PTB)

Abb.: Die Laser-Aufbauten der optischen Aluminiumuhr, die am Quest-Institut an der PTB entwickelt wird. (Bild: PTB)

Auch die optische Aluminium-Uhr, die am Quest-Institut an der PTB entsteht, soll unter anderem dazu genutzt werden, außerhalb des Labors physikalische Phänomene wie die von Einstein vorhergesagte Rotverschiebung zu messen. Eine wesentliche Voraussetzung dafür ist, dass die notwendigen Laser dem Transport standhalten. Daher haben PTB-Physiker eine Frequenz­verdopplungs­einheit entwickelt, die auch dann noch funktioniert, wenn sie mit dem Dreifachen der Erd­beschleunigung durchgeschüttelt wurde.

Bereits Einstein fand heraus, dass zwei Uhren, die sich an unterschiedlichen Stellen im Schwerefeld der Erde befinden, unterschiedlich schnell ticken: So lässt sich mit zwei optischen Atomuhren, die eine extrem kleine relative Mess­unsicherheit von 10-18 aufweisen, der Höhen­unterschied zwischen beliebigen Punkten auf der Erde auf einen Zentimeter genau messen. Dieses „chronometrische Nivellement“ stellt eine wichtige Anwendung von Uhren in der Geodäsie dar. Eine der Voraus­setzungen dafür ist, dass sich die optischen Frequenzen der beiden Uhren z. B. über Glasfasern vergleichen lassen.

An der PTB werden gleich mehrere Atomuhren unterschiedlichen Typs entwickelt, die sich jeweils in einem Anhänger bzw. Container transportieren lassen. Der Betrieb außerhalb eines geschützten Labors bringt jedoch viele Herausforderungen mit sich: So ist die Umgebungs­temperatur natürlich viel weniger stabil. Und beim Transport auf der Straße kann es zu erheblichen Erschütterungen kommen. Deshalb können optische Aufbauten, die im Labor tadellos funktioniert haben, am Zielort zunächst unbrauchbar sein. Sie müssen in mühevoller Kleinarbeit wieder einjustiert werden.

Das letzte Problem betrifft insbesondere die portable Aluminiumuhr, die am Quest-Institut entwickelt wird. Für sie werden unter anderem zwei UV-Laser bei 267 Nanometer benötigt. Für diese Wellenlänge lässt sich nicht einfach eine Laserdiode kaufen. Stattdessen muss jeweils ein langwelliger Infrarot­laser zweimal hintereinander frequenz­verdoppelt werden. Hierbei wird das Licht in einem geschlossenen Ring aus vier Spiegeln eingekoppelt, sodass in ihm eine hohe optische Leistung zirkuliert. Ein darin platzierter nichtlinearer Kristall wandelt das zirkulierende Licht in Licht der halben Wellenlänge um. Es verlässt dank der dichroitischen Beschichtung der Spiegel den Resonator und wird dann zur Abfrage der Uhr verwendet. Für diesen Frequenz-Verdopplungs­resonator wurde am Quest-Institut ein Design entwickelt, das auf einem monolithischen und damit hoch­stabilen Rahmen basiert, an dem alle Spiegel und der Kristall befestigt sind. Nach außen ist der Aufbau gasdicht abschlossen, um den gegenüber kleinsten Verunreinigungen hoch­empfindlichen Kristall zu schützen.

Die Entwickler des Resonators konnten an einem Prototyp demonstrieren, dass sie auch dann Laserlicht frequenz­verdoppelt, während sie Beschleunigungen von einem g ausgesetzt ist. Zusätzlich wurde gezeigt, dass selbst eine dreißig-minütige Beschleunigungs­phase mit bis zu drei g die Effizienz der Frequenz­verdopplung nicht beeinträchtigt. Das entspricht dem Fünffachen des Wertes, der in der ISO-Norm für Straßen­transporte auf Lastkraft­wagen angegeben ist. Jedoch ist der Resonator nicht nur mechanisch robust, sondern genauso effizient wie vergleichbare Systeme von Forschungs­gruppen anderer Institute. Zudem wurde ein ununterbrochener Dauerbetrieb von 130 Stunden demonstriert.

Angesichts dieser Eigenschaften wurden mehrere dieser Verdopplungs­resonatoren für verschiedene (nicht nur UV-) Wellenlängen am Quest-Institut zum festen Bestandteil unterschiedlicher quanten­optischer Experimente, um diese zuverlässig mit Laserlicht zu versorgen. Zudem hat eine deutsche Optomechanik-Firma das Design lizenziert, um es als Basis für ein kommerzielles Produkt zu nutzen.

PTB / DE

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