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

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

Autoren

  • Steffen Rühmann

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Details

OriginalspracheDeutsch
QualifikationDoctor rerum naturalium
Gradverleihende Hochschule
Betreut von
  • Ernst Maria Rasel, Betreuer*in
Datum der Verleihung des Grades16 Nov. 2018
ErscheinungsortHannover
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2018

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.

Zitieren

Frequenzstabilisierung eines hochstabilen Lasersystems bis zum Thermischen-Rausch-Limit und Berechnungen eines Laser-Synergie-Konzeptes. / Rühmann, Steffen.
Hannover, 2018. 112 S.

Publikation: Qualifikations-/Studienabschlussarbeit › Dissertation

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T1 - Frequenzstabilisierung eines hochstabilen Lasersystems bis zum Thermischen-Rausch-Limit und Berechnungen eines Laser-Synergie-Konzeptes

AU - Rühmann, Steffen

N1 - Dissertation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - 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.

AB - 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.

U2 - 10.15488/4304

DO - 10.15488/4304

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -