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Stabiles UV-Licht für optische Uhren

Stabiles UV-Licht für optische Uhren

© PTB
Frequenzvervierfachungseinheit

Optische Uhren basierend auf gefangenen Einzelionen benötigen mindestens einen phasenstabilen Laser, der über mehrere Sekunden hinweg die elektronischen Übergänge des Uhrenions abfragt. Ist die Abfragezeit zu kurz, steigt die statistische Unsicherheit der Messung. Unterstützt vom Exzellenzcluster QuantumFrontiers ist es sechs Forschenden gelungen, an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt ein kompaktes Lasersystem zu entwickeln, das phasenstabiles UV-Licht für eine optische Uhr mit Aluminiumionen liefert. Ihre Ergebnisse publizierten sie in der Fachzeitschrift Opics Express.

Für einige optische Atomuhren, wie bei einer Uhr auf Basis von Aluminiumionen, liegen die entscheidenden Übergänge im UV-Spektrum. Um frequenzstabiles UV-Licht zu erzeugen, wird zunächst die Frequenz eines Infrarotlasers auf eine Referenzcavity stabilisiert. Anschließend wird die Frequenz des IR-Lasers zweimal verdoppelt, sodass UV-Licht generiert wird.

Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, auch die Frequenzstabilität vom Infraroten ins Ultraviolette zu übertragen. In ihrem Aufbau einer transportablen Aluminiumionenuhr nutzen die Forschenden im Exzellenzcluster QuantumFrontiers nicht-lineare Kristalle für die zweimalige Frequenzverdopplung. In ihrem Aufbau passiert das zu verdoppelnde Licht jeden der Kristalle nur ein Mal. Diese Konfiguration ermöglicht, anders als in traditionellen Aufbauten, eine ununterbrochene interferometrische Phasenstabilisierung des IR Pumplasers und damit auch des erzeugten UV Lichts.

„Mit unserem Aufbau haben wir es geschafft, einen kompakten, transportablen und sehr phasenstabilen UV Laser für den Uhrenübergang des Aluminiumions aufzubauen. Das ermöglicht uns zukünftig eine längere Abfrage des Uhrenübergangs und den Betrieb der Aluminiumionenuhr an verschiedenen Orten“, sagt Benjamin Kraus, der als Doktorand für den Aufbau und Inbetriebnahme des Lasersystems verantwortlich ist.

 

Originalpublikation:

B. Kraus, F. Dawel, s. Hannig et al.
Phase-stabilized UV light at 267 nm through twofold second harmonic generation.
Optics Express 30, 44992-45007 (2022).
https://doi.org/10.1364/OE.471450