Das neue Frequenznormal am METAS

Präsentation zum Thema: "Das neue Frequenznormal am METAS"—  Präsentation transkript:

1 Das neue Frequenznormal am METAS
Gregor Dudle Zeit- und Frequenzlabor, EAZ

2 Menu Atomfrequenznormale Laserkühlung METAS-ON Springbrunnen Prinzip
Ramsey Kavität Laserkühlung Prinzip der Dopplerkühlung Limite Temperaturmessung METAS-ON Springbrunnen Design Stabilitätsmessungen

3 Atomfrequenznormale

4 Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale

5 Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale

6 Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale

7 Definition der SI-Sekunde
ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs133 entsprechenden Strahlung (XIII CGPM 1967) Atomfrequenznormale

8 Energieniveaus eines Cäsiumatoms
Atomfrequenznormale

9 Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

10 Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

11 Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

12 Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

13 Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

14 Abtasten der Atome Referenz Atomfrequenznormale Oszillator

15 Ramsey Kavität Atomfrequenznormale Mikrowelle

16 Ramsey Kavität Atomfrequenznormale TL muss so gross wie möglich sein

17 Grosse Interaktionszeit
Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert Langsame Atome Mechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr klein (1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg) Laserkühlung Atomfrequenznormale

18 Grosse Interaktionszeit
Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert Langsame Atome Mechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr klein (1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg) Laserkühlung Atomfrequenznormale

19 Laserkühlung

20 Entwicklung der Laserkühlung
1975 Theoretisches Model "Doppler Cooling" (Hänsch) Limite für Cs-Atome 127 mK 1985 Experiment (USA) 1988 Temperaturen unter 127 mK beobachtet (NIST, USA) 1989 Theoretische Model für sub-Doppler (ENS, Paris; Stanford) 1990 Erste Anwendung in Zeitmetrologie (ENS-LPTF, Paris) 1993 Erste kalte Atome in der Schweiz (Observatoire Cantonal NE) 1997 Nobelpreis für Lasercooling (Cohen, Chu, Phillips) Laserkühlung

21 Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand
Laserkühlung Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons

22 Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand
Laserkühlung Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons

23 Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand
Laserkühlung Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons

24 Mathematische Beschreibung
Intensität Laser Geschwindigkeit Atom Frequenzoffset Atom-Laser Laserkühlung

25 Kraft vs. Geschwindigkeit - 1 Laserstrahl
Laserkühlung

26 Kraft vs. Geschwindigkeit - 2 Laserstrahlen
F(v) = - a v Laserkühlung Molasses

27 Kühlen oder bremsen ? Maxwell Verteilung Laserkühlung

28 Wie kalt können die Atome werden ?
Bei jeder Abstrahlung eines Photons erfährt das Atom einen Rückstoss  Random-Walk Minimum pour D = -G/2 Laserkühlung Limite „Doppler“

29 Wie misst man die Temperatur ?
Laserkühlung

30 Wie misst man die Temperatur ?
Laserkühlung

31 Wie misst man die Temperatur ?
Laserkühlung

32 Wie misst man die Temperatur ?
Laserkühlung

33 Wie misst man die Temperatur ?
Laserkühlung

34 Wie misst man die Temperatur ?
Laserkühlung

35 vL L TL Df Thermischer Strahl 100 m/s 1 m 10 ms 50 Hz
Lasergekühlter Strahl 0-3 m/s .5 m 500 ms 1 Hz Laserkühlung

36 METAS - ON Springbrunnen

37 Anvisiertes Ziel Kontinuierlicher Strahl lasergekühlter Cäsiumatome
Kollisionseffekte sehr kleins Kurzzeitstabilität: 7·10-14 t-1/2 Accuracy:

38 Springbrunnen: Prinzip
Abtasten Laserkühlung/ Abwurf Springbrunnen Detektion

39 Springbrunnen: Prinzip
Abtasten Laserkühlung/ Abwurf Springbrunnen Detektion

40 Springbrunnen: Prinzip
Abtasten Laserkühlung/ Abwurf Springbrunnen Detektion

41 Springbrunnen: Realisierung
1 m Flugbahn Magnetische Abschirmung Mikrowellen- Kavität Springbrunnen Detektion Quelle

42 Springbrunnen: Details
Mikrowellen-Kavität 56 mm

43 Optischer Aufbau 4 Diodenlaser, 1 MOPA l = 852 nm
Linienbreite < 100 kHz ca. 400 mW Polarisations-erhaltende Glasfasern

44 Quelle 4 45° Strahlen 1 retroreflektierter Strahl
Abwurfgeschw. 3.8 m/s ca 200‘000 at/s detektiert

45 Blick ins Labor 1997 Design und Aufbau 1998 Kalte Atome
2000 Erste Ramsey-Fringes 2001 Erste Stabilitätsmessung 2002 Transfer nach Wabern Springbrunnen

46 Ramsey fringes Springbrunnen

47 Ramsey fringes

48 Stabilitätsmessung

49 Wo stehen wir Design und Aufbau Kontinuierlicher Strahl kalter Atome
Ramsey-Fringes Stabilitätsmessungen Genauigkeits-Evaluation Vergleich mit andern Frequenz Primär Standards

50 Wo stehen die anderen LPTF (F): mehrere Exemplare funktionieren
PTB (D): evaluiert NIST: evaluiert "Kurz vor Abschluss" IEN, NPL, NRC,

51 Hauptdarsteller Pierre Thomann J.-F. Léchenne, Konstrukteur
René Maurer, Mechaniker Alain Joyet, Doktorand Natascia Castagna, Doktorandin Gaetano Mileti, Physiker Cipriana Mandache, Post-Doc (Rumänien)

52 Zusammenfassung Prinzip eines passiven Atomfrequenznormals
Vorteil von langen Interaktionszeiten Prinzip der Laserkühlung Design des kontinuierlichen METAS-ON Springbrunnens Ramsey-Fringes und Stabilitätsresultate