Entwicklung ultrastabiler kryogener optischer Resonatoren aus Silizium für die Frequenzstabilisierung von Lasern

• Antragsteller: Professor Stephan Schiller, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279028307

Optische Resonatoren sind von großer Bedeutung für Präzisionsexperimente im optischen und Mikrowellen-Spektralbereich. Im optischen Spektralbereich werden sie eingesetzt für die Frequenzstabilisierung von Lasern für spektroskopische Anwendungen, insbesondere für optische Atomuhren, und für den Test fundamentaler Konzepte der Physik, etwa der Eigenschaften der Raum-Zeit. Durch Konversion von ultra-stabilen optischen Frequenzen in den Radiofrequenzbereich können z.B. Radarmessungen mit weit höherer Empfindlichkeit als bisher durchgeführt werden. Üblicherweise werden ultra-stabile optische Resonatoren aus ULE-Glas hergestellt und bei Raumtemperatur betrieben. Dies hat ein bestimmtes Niveau an thermischem Rauschen zur Folge und die entsprechenden Längenfluktuationen führen zu einer fundamentalen Grenze der erzielbaren Frequenzstabilität. Der Betrieb eines Resonators bei kryogener Temperatur eröffnet einen Weg zur Reduktion des thermischen Rauschens. Dies bietet die Möglichkeit, Laser-Frequenzstabilisierung mit mindestens 10-fach reduzierter Frequenzinstabilität im Vergleich zu ULE-Resonatoren zu erreichen. Kristalline kryogene Resonatoren sind außerdem dadurch ausgezeichnet, dass sie fast keine Längendrift aufweisen, dank ihrer nahezu perfekten Gitterstruktur. Optische Resonatoren aus Silizium wurden in jüngster Zeit in zwei Konfigurationen untersucht: (1) bei 124 K wurde ein Si-Resonator benutzt, um die Frequenz eines Lasers auf das Niveau 1E-16 auf kurzen Zeitskalen zu reduzieren. (2) In unserer Arbeit wurden detaillierte Charakterisierungen des Verhaltens bei kryogener Temperatur (1.5 K) durchgeführt, die das Potential bestätigen, dass eine Frequenzinstabiltät von 1E-17 prinzipiell erreichbar ist. Auf der Basis dieser wichtigen Vorarbeiten schlagen wir hier vor, kryogene Silizium-Resonatoren bei 1.5 K weiter zu entwickeln und in den nächsten 2 Jahren damit eine Frequenzinstabilität auf dem Niveau von < 5E-17 für mittlere Integrationszeiten 1E2 s - 1E4 s (nach Abzug der Langzeitdrift) zu erreichen. Dies stellt eine Zwischenergebnis auf dem Weg zum Niveau 1E-17 auf kurzen bis mittleren Integrationszeiten, 1 s -1E4 s dar. Um die genannte Performance zu demonstrieren, müssen wir einen zweiten kryogenen Resonator entwickeln, da keine Referenz mit 5E-17 Frequenzinstabilität zur Verfügung steht. Dieser wird im gleichen Kryostat wie der erste, vorhandene, Resonator betrieben werden, und wird Vergleichsmessungen zwischen den beiden Resonatoren ermöglichen. Weiterhin werden wir im Projekt mehrere wichtige Aspekte behandeln, die in den Vorarbeiten identifiziert wurden, indem wir entsprechende Subsysteme entwickeln: Reduktion der Rest-Amplitudenmodulation des Laserstrahls, Einbau einer aktiven Vibrationsdämpfung um Kryostatvibrationen zu reduzieren, Implementierung optischer breadboards im Kryostat, Vorstabilisierung der Laser auf einen Raumtemperatur-ULE-Resonator, um die Linienbreite auf das Hz-Niveau zu reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Alexander Nevsky