metas_fountain/sept-2002/dd observatoire neuchâtel das neue frequenznormal am metas gregor dudle...

METAS_fountain/Sept-2002/Dd

Observatoire Neuchâtel

Das neue Frequenznormal am METAS

Gregor Dudle

Zeit- und Frequenzlabor, EAZ



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AtomfrequenznormalePrinzipRamsey Kavität

LaserkühlungPrinzip der DopplerkühlungLimiteTemperaturmessung

METAS-ON SpringbrunnenDesignStabilitätsmessungen



Atomfrequenznormale



Prinzip einer Uhr ?

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e



Definition der SI-Sekunde

1 Sekunde

ist das 9 192 631 770fache

der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes

von Atomen des Nuklids Cs133 entsprechenden Strahlung (XIII CGPM 1967)

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e



Energieniveaus eines Cäsiumatoms

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e



Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e



Abtasten der Atome

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Oszillator

Referenz



Ramsey Kavität

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Mikrowelle



TL muss so gross wie möglich sein

Ramsey Kavität

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e



Grosse Interaktionszeit

Sehr lange Kavität Mechanisch schwierig Weg der Atome schlecht kontrolliert

Langsame AtomeMechanisch kompakter, einfacher Ausbeute bei thermischen Atomen sehr

klein(1950 J.R. Zacharias, MIT ohne Erfolg)

Ato

mfr

eque

nzno

rmal

e

Laserkühlung



Laserkühlung



Entwicklung der Laserkühlung

1975 Theoretisches Model "Doppler Cooling" (Hänsch)Limite für Cs-Atome 127 K

1985 Experiment (USA)

1988 Temperaturen unter 127 K 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)

Lase

rküh

lung



Prinzip

Absorption eines Photons und Übergang in angeregten Zustand

Rückkehr in Grundzustand unter isotroper Abstrahlung

des Photons

Lase

rküh

lung



Mathematische Beschreibung

2

421

kvk

dt

dNkF

x

x

tZeiteinhei / Photonen #xPhoton / ImpulsKraft

Lase

rküh

lung

Intensität Laser

GeschwindigkeitAtom

FrequenzoffsetAtom-Laser



Kraft vs. Geschwindigkeit - 1 Laserstrahl

50

40

30

20

10

0

Kra

ft /

1

0-2

1 N

-20 -10 0 10

Geschwindigkeit / m s-1

Lase

rküh

lung



Kraft vs. Geschwindigkeit - 2 Laserstrahlen

v

Lase

rküh

lung

MolassesMolasses

F(v) = - v

-40

-20

0

20

40

Kra

ft /

1

0-2

1 N

-20 -10 0 10

Geschwindigkeit / m s-1



Kühlen oder bremsen ?

dvTk

mvv

Tk

mndvvF

BB

2

exp2

4)(2

2

2/3

Maxwell Verteilung

250

200

150

100

50

0

F(v

) dv

140120100806040200

velocity / m s-1

1 K

10 K 100 K 300 K

0.1 K

Lase

rküh

lung



Wie kalt können die Atome werden ?

2

41

4

2

TkB

Kk

TB

D 1272

Limite „Doppler“

Minimum pour = -/2

Bei jeder Abstrahlung eines Photons erfährt das Atom einen Rückstoss Random-Walk

Lase

rküh

lung



Wie misst man die Temperatur ?

Lase

rküh

lung



vL L TL f Thermischer Strahl 100 m/s 1 m 10 ms 50 Hz

Lasergekühlter Strahl 0-3 m/s .5 m 500 ms 1 Hz

Lase

rküh

lung



METAS - ON Springbrunnen



Anvisiertes Ziel

Kontinuierlicher Strahl lasergekühlter Cäsiumatome Kollisionseffekte sehr kleins

Kurzzeitstabilität: 7·10-14 -1/2

Accuracy: 10-15



Springbrunnen: Prinzip

Laserkühlung/Abwurf

Abtasten

Detektion

Spr

ingb

runn

en



Springbrunnen: Realisierung

Quelle

MagnetischeAbschirmung

Flugbahn

Mikrowellen-Kavität

Detektion

Spr

ingb

runn

en

1 m



Springbrunnen: Details

Mikrowellen-Kavität56 mm56 mm

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Tra

nsm

itted

sig

nal /

a.u.

9200915091009050

Frequency /MHz

TE 021TM 021

800 kHz



Optischer Aufbau

4 Diodenlaser, 1 MOPA = 852 nm Linienbreite < 100 kHz ca. 400 mW Polarisations-

erhaltende Glasfasern



Quelle

4 45° Strahlen1 retroreflektierter Strahl

Abwurfgeschw. 3.8 m/s ca 200‘000 at/s detektiert



Blick ins Labor

1997 Design und Aufbau

1998 Kalte Atome

2000 Erste Ramsey-Fringes

2001 Erste Stabilitätsmessung

2002 Transfer nach Wabern

Spr

ingb

runn

en



Ramsey fringes

0.3

0.2

0.1

0.0

Tra

nsi

tion

pro

ba

bili

ty /

a.

u.

-1000 0 1000fRF - fCs / Hz

0.3

0.2

0.1

-15 -10 -5 0 5 10 15

mF = 0

Spr

ingb

runn

en



Ramsey fringes



Stabilitätsmessung

10-15

10-14

10-13

10-12

10-11

y(

100

101

102

103

104

s

Cont. fountain (2.5 10-13

Reference Maser



Wo stehen wir

Design und Aufbau Kontinuierlicher Strahl kalter Atome Ramsey-Fringes StabilitätsmessungenGenauigkeits-EvaluationVergleich mit andern Frequenz Primär

Standards



Wo stehen die anderen

LPTF (F): mehrere Exemplare funktionieren PTB (D): evaluiert NIST: evaluiert

"Kurz vor Abschluss"

IEN, NPL, NRC, ... ... ...



Hauptdarsteller

Pierre Thomann

J.-F. Léchenne, Konstrukteur

René Maurer, Mechaniker

Alain Joyet, Doktorand

Natascia Castagna, Doktorandin

Gaetano Mileti, Physiker

Cipriana Mandache, Post-Doc (Rumänien)



Zusammenfassung

Prinzip eines passiven Atomfrequenznormals Vorteil von langen Interaktionszeiten Prinzip der Laserkühlung Design des kontinuierlichen METAS-ON

Springbrunnens Ramsey-Fringes und Stabilitätsresultate

metas_fountain/sept-2002/dd observatoire neuchâtel das neue frequenznormal am metas gregor dudle...

Documents

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