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

authored by: Steffen Rühmann
supervised by: Ernst Maria Rasel
Abstract: 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.
Organisation(s): QUEST-Leibniz Research School
Type: Doctoral thesis
No. of pages: 112
Publication date: 2018
Publication status: Published
Electronic version(s): https://doi.org/10.15488/4304 (Access: Unknown)
: Details in the research portal "Research@Leibniz University"

BibTeX

@phdthesis{bdeaa205e1f041e0824b320ec9aef89d,
title = "Frequenzstabilisierung eines hochstabilen Lasersystems bis zum Thermischen-Rausch-Limit und Berechnungen eines Laser-Synergie-Konzeptes",
abstract = "Frequenzen sind die am pr{\"a}zisesten messbaren physikalischen Gr{\"o}{\ss}en. Viele Messprinzipien und Ger{\"a}te basieren daher prim{\"a}r auf der Bestimmung der Phase und Frequenz eines genauen und stabilen Oszillators. Die pr{\"a}zise Bestimmung der Zeitintervalle verbessert sich mit der Erh{\"o}hung der Frequenz des periodischen Signals des Frequenzstandards. Optische Frequenzen sind gegen{\"u}ber den MikrowellenAtomuhren, die aktuell noch die SI-Sekunde defnieren, um etwa vier bis f{\"u}nf Gr{\"o}{\ss}enordnungen h{\"o}her und k{\"o}nnen potentiell um diesen Faktor genauer sein. Die Entwicklung des optischen Frequenzkammgenerators im Jahr 1998 von der Gruppe um Theodor W. H{\"a}nsch [1, 2], welche 2005 mit dem Physik-Nobelpreis gew{\"u}rdigt wurde, hat dabei den Fortschritt der Atomuhren im optischen Bereich stark beschleunigt. Die derzeit pr{\"a}zisesten optischen Atomuhren erreichen inzwischen Instabilit{\"a}ten und Ungenauigkeiten in der Gr{\"o}{\ss}enordnung von 10^{−18} [3], was einem Gangunterschied von weniger als einer Sekunde in einem Zeitraum entsprechend dem Alter des Universums entspricht. Um die bestm{\"o}gliche Pr{\"a}zision bereits in kurzen Zeitskalen zu erreichen wird ein hochstabiler Lokaloszillator ben{\"o}tigt, welcher die atomare Referenzfrequenz anregen und mit einer entsprechenden Stabilit{\"a}t zwischen den jeweiligen Messzyklen halten kann. Inzwischen liegt die erreichbare Genauigkeit atomarer Referenzen deutlich {\"u}ber der Stabilit{\"a}t der Oszillatoren. Eine Verbesserung der Stabilit{\"a}t 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 f{\"u}r die Abfrage des in Entwicklung befndlichen Frequenzstandards basierend auf atomaren neutralem Magnesium-24 eingesetzt wird, bis zum Limit des berechneten thermischen Rauschens. Es werden Instabilit{\"a}ten von 4 · 10^{−16} in 1 Sekunde erreicht mit Spitzenwerten von 2 · 10^{−16} f{\"u}r l{\"a}ngere Mittelungszeiten, was unter dem berechneten thermischen Rauschen liegt, allerdings im Rahmen der statistischen Unsicherheit. Ebenso konnte die Langzeitstabilit{\"a}t verbessert werden. Auf eine einheitliche Resonatorl{\"a}nge skaliert erreicht dieses Laserystem im weltweiten Vergleich hypothetisch nach publizierten Resultaten meines Wissens nach unter den bei Raumtemperatur stabilisierten Lasersystemen sogar die geringste Instabilit{\"a}t im Zeitbereich von 4 - 40 Sekunden. Die aktuell beste Instabilit{\"a}t (etwa einer Gr{\"o}{\ss}enordnung 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 Instabilit{\"a}t f{\"u}r eine Kurzzeitreferenz: Ich erl{\"a}utere ein Konzept, wie Lasersysteme, die abseits des Forschungsbereichs von Atomuhren entwickelt wurden, ebenfalls zur Verbesserung eines Frequenzstandards genutzt werden k{\"o}nnten. In meinen Berechnungen zeige ich die potentiell erreichbaren Instabilit{\"a}ten, 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 fr{\"u}here Limitierungen f{\"u}r einen Frequenzvergleich der Mg-Gitteruhr, der inzwischen durchgef{\"u}hrt wurde, ausgeschlossen werden. ",
author = "Steffen R{\"u}hmann",
note = "Dissertation",
year = "2018",
doi = "10.15488/4304",
language = "Deutsch",
publisher = "Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
}