Forskere udvikler transportabelt optisk atomur

Atomure er ikke længere baseret på en mikrobølgeovergang i cæsium, i stedet opererer med andre atomer, der er spændte ved hjælp af optiske frekvenser. Nogle af disse nye ure er bærbare. På sit QUEST Institute, PTB udvikler i øjeblikket et transportabelt optisk aluminiumsur for at måle fysiske fænomener uden for et laboratorium. En forudsætning for dette er, at de nødvendige lasere er i stand til at udholde transport til andre steder. PTB-fysikere har derfor udviklet en frekvensdoblingsenhed, der vil fortsætte med at fungere, når den er blevet rystet ved tre gange Jordens tyngdeacceleration. Resultaterne er blevet offentliggjort i det aktuelle nummer af Gennemgang af videnskabelige instrumenter .

Det var Einstein, der bestemte, at to ure placeret på to forskellige positioner i jordens tyngdefelt fungerer med forskellige hastigheder. Det, der i første omgang lyder bizart, har ganske praktiske effekter:To optiske atomure med en ekstremt lille relativ måleusikkerhed på 10 ^-18 kan måle højdeforskellen mellem vilkårlige punkter på Jorden med en nøjagtighed på kun en centimeter. Denne såkaldte kronometriske nivellering repræsenterer en vigtig anvendelse af ure i geodesien. En af forudsætningerne for dette er, at de to ures optiske frekvenser kan sammenlignes.

PTB udvikler i øjeblikket flere typer atomur, der hver kan transporteres i en trailer eller i en container. Deres drift uden for et beskyttet laboratorium, imidlertid, indebærer mange udfordringer:Den omgivende temperatur, for eksempel, er meget mindre stabil. Desuden, betydelige stød kan forekomme under transport. Derfor kan optiske strukturer, der har fungeret perfekt i laboratoriet, i første omgang være ubrugelige på destinationen. De skal omhyggeligt justeres - hvilket fører til tab af værdifuld forskningstid.

Dette problem vedrører det transportable aluminiumsur, der udvikles på QUEST Institute. Dette ur kræver to UV -lasere ved 267 nm. For denne bølgelængde, forskere udviklede en langbølget infrarød laser, der kan frekvens-fordobles to gange i træk. Under denne proces, lyset er koblet til en lukket ring med fire spejle, så en høj optisk effekt cirkulerer inden i ringen. En ikke-lineær krystal placeret i denne ring omdanner det cirkulerende lys til lys på halvdelen af ​​bølgelængden.

På grund af spejlets dikroiske belægning, det cirkulerende lys passerer ud af resonatoren og bruges derefter til at aflæse uret. QUEST Institute har udviklet et design til dette såkaldte frekvensdoble hulrum, som er baseret på en monolitisk, meget stabil ramme, som alle spejle og krystallen er monteret på. Dette forseglede, opsætningen er gastæt til ydersiden for at beskytte krystallen, som er meget følsom selv for den mindste forurening.

Udviklerne af hulrummet kunne demonstrere på en prototype, at det også fordobler laserlyset, mens det udsættes for accelerationer på 1 g. Desuden, de demonstrerede, at frekvensen fordoblingseffektivitet ikke forringes efter at have været udsat for accelerationer på op til 3 g i 30 minutter. Dette svarer til fem gange værdien i standard ISO 13355:2016 om vejtransport på lastbiler. Hulrummet er, imidlertid, ikke kun mekanisk robust, men det er lige så effektivt som sammenlignelige systemer, der er blevet udviklet af forskergrupper fra andre institutter. I øvrigt, 130 timers uafbrudt kontinuerlig drift blev påvist.

I betragtning af disse egenskaber, QUEST Institute har lavet flere af disse fordoblingskaviteter til forskellige bølgelængder (ikke kun til UV), som blev integrerede komponenter i forskellige kvanteoptiske eksperimenter, med det formål at levere disse eksperimenter pålideligt med laserlys. I øvrigt, et tysk optomekanikfirma har givet licens til designet for at kunne bruge det som grundlag for et kommercielt produkt.