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METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Das neue Frequenznormal am METAS Gregor Dudle Zeit- und Frequenzlabor, EAZ.

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1 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Das neue Frequenznormal am METAS Gregor Dudle Zeit- und Frequenzlabor, EAZ

2 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Menu u Atomfrequenznormale z Prinzip z Ramsey Kavität u Laserkühlung z Prinzip der Dopplerkühlung z Limite z Temperaturmessung u METAS-ON Springbrunnen z Design z Stabilitätsmessungen

3 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Atomfrequenznormale

4 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale

5 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale

6 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Prinzip einer Uhr ? Atomfrequenznormale

7 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Definition der SI-Sekunde 1 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 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Energieniveaus eines Cäsiumatoms Atomfrequenznormale

9 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

10 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

11 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

12 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

13 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Abtasten der Atome Atomfrequenznormale

14 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Abtasten der Atome Atomfrequenznormale Oszillator Referenz

15 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Ramsey Kavität Atomfrequenznormale Mikrowelle

16 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel T L muss so gross wie möglich sein Ramsey Kavität Atomfrequenznormale

17 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Grosse Interaktionszeit l Sehr lange Kavität 8Mechanisch schwierig 8Weg der Atome schlecht kontrolliert l Langsame Atome 4Mechanisch kompakter, einfacher 8Ausbeute bei thermischen Atomen sehr klein (1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg) Atomfrequenznormale Laserkühlung

18 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Grosse Interaktionszeit l Sehr lange Kavität 8Mechanisch schwierig 8Weg der Atome schlecht kontrolliert l Langsame Atome 4Mechanisch kompakter, einfacher 8Ausbeute bei thermischen Atomen sehr klein (1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg) Atomfrequenznormale Laserkühlung

19 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Laserkühlung

20 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Entwicklung der Laserkühlung 1975Theoretisches Model "Doppler Cooling"(Hänsch) Limite für Cs-Atome 127 K 1985Experiment (USA) 1988Temperaturen unter 127 K beobachtet (NIST, USA) 1989Theoretische Model für sub-Doppler (ENS, Paris; Stanford) 1990Erste Anwendung in Zeitmetrologie (ENS-LPTF, Paris) 1993Erste kalte Atome in der Schweiz (Observatoire Cantonal NE) 1997Nobelpreis für Lasercooling (Cohen, Chu, Phillips) Laserkühlung

21 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons Laserkühlung

22 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons Laserkühlung

23 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Prinzip Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung des Photons Laserkühlung

24 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Mathematische Beschreibung Laserkühlung Intensität Laser Geschwindigkeit Atom Frequenzoffset Atom-Laser

25 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Kraft vs. Geschwindigkeit - 1 Laserstrahl Laserkühlung

26 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Kraft vs. Geschwindigkeit - 2 Laserstrahlen Laserkühlung Molasses F(v) = - v

27 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Kühlen oder bremsen ? Maxwell Verteilung Laserkühlung

28 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie kalt können die Atome werden ? Limite Doppler Minimum pour = - /2 Bei jeder Abstrahlung eines Photons erfährt das Atom einen Rückstoss Random-Walk Laserkühlung

29 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung

30 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung

31 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung

32 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung

33 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung

34 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wie misst man die Temperatur ? Laserkühlung

35 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel v L LT L f Thermischer Strahl100 m/s1 m10 ms50 Hz Lasergekühlter Strahl0-3 m/s.5 m500 ms1 Hz Laserkühlung

36 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel METAS - ON Springbrunnen

37 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Anvisiertes Ziel Kontinuierlicher Strahl lasergekühlter Cäsiumatome yKollisionseffekte sehr kleins Kurzzeitstabilität: 7· /2 Accuracy:

38 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Springbrunnen: Prinzip Laserkühlung/ Abwurf Abtasten Detektion Springbrunnen

39 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Springbrunnen: Prinzip Laserkühlung/ Abwurf Abtasten Detektion Springbrunnen

40 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Springbrunnen: Prinzip Laserkühlung/ Abwurf Abtasten Detektion Springbrunnen

41 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Springbrunnen: Realisierung Quelle Magnetische Abschirmung Flugbahn Mikrowellen- Kavität Detektion Springbrunnen 1 m

42 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Springbrunnen: Details Mikrowellen-Kavität 56 mm

43 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Optischer Aufbau 4 Diodenlaser, 1 MOPA = 852 nm Linienbreite < 100 kHz ca. 400 mW Polarisations- erhaltende Glasfasern

44 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Quelle 4 45° Strahlen 1 retroreflektierter Strahl Abwurfgeschw. 3.8 m/s ca at/s detektiert

45 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Blick ins Labor 1997Design und Aufbau 1998Kalte Atome 2000Erste Ramsey-Fringes 2001Erste Stabilitätsmessung 2002Transfer nach Wabern Springbrunnen

46 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Ramsey fringes Springbrunnen

47 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Ramsey fringes

48 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Stabilitätsmessung

49 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wo stehen wir 4Design und Aufbau 4Kontinuierlicher Strahl kalter Atome 4Ramsey-Fringes 4Stabilitätsmessungen rGenauigkeits-Evaluation rVergleich mit andern Frequenz Primär Standards

50 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Wo stehen die anderen zLPTF (F):mehrere Exemplare funktionieren zPTB (D):evaluiert zNIST:evaluiert "Kurz vor Abschluss" IEN, NPL, NRC,

51 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel 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 METAS_fountain/Sept-2002/Dd Observatoire Neuchâtel Zusammenfassung l Prinzip eines passiven Atomfrequenznormals l Vorteil von langen Interaktionszeiten l Prinzip der Laserkühlung l Design des kontinuierlichen METAS-ON Springbrunnens l Ramsey-Fringes und Stabilitätsresultate


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