OPUS-II: Optische Uhren unter Schwerelosigkeit

Abstract

Hochstabile optische Frequenzreferenzen bieten ein großes Potential für bestehende und neuartige Anwendungen auf der Erde, wie im Weltraum. Sie verbessern dabei die allgemeine Genauigkeit, mit der die Frequenz und damit abgeleitete Größen wie die Zeit, aber auch Entfernung und Wellenlänge vermessen werden können. Bei einem Global Navigation Satellite System (GNSS), wie Galileo oder NAVSTAR GPS, kann eine optische Uhr die Präzision und Ausfallsicherheit erhöhen. Darüber hinaus können optische Referenzen für eine Reihe von wissenschaftlichen Missionen wie z.B. der Test der allgemeinen Relativitätstheorie, die Detektion von Gravitationswellen, hochgenaue Spektroskopie und weitere Anwendungen in der Quantenphysik eingesetzt werden. OPUS erforscht die zentralen Bestandteile einer optischen Uhr. Die optische Spektroskopie stellt dabei das Schwungrad der Uhr dar, und der Frequenzkamm quasi das Uhrwerk. Optische Uhren basierend auf dieser Technologie konnten bereits eine relative Frequenzstabilität zeigen, die noch um eine Größenordnung besser ist als solche basierend auf Gaszellen. Trotzt des komplexeren Aufbaus besteht das Potential, mittel- bis langfristig, kompakt, robust und zuverlässig genug zu werden, um einen Weltraumeinsatz zu ermöglichen. Ziele dieses Teilvorhabens war die Entwicklung eines robusten und kompakten, schmalbandigen Lasersystems basierend auf einer Fabry-Perot Cavity, also eine optische Referenz, um die Kurzeitstabilität der Uhr zu gewähren. Im zweiten Teil des Vorhabens sollten die einzelnen Module der optischen Uhr in ein Gesamtsystem integriert werden. Datei-Upload durch TIB Highly stable optical frequency references offer great potential for existing and novel applications on Earth as well as in space. They improve the overall accuracy with which frequency and derived quantities such as time, but also distance and wavelength can be measured. In a Global Navigation Satellite System (GNSS), such as Galileo or NAVSTAR GPS, an optical clock can increase precision and reliability. In addition, optical references can be used for a variety of scientific missions such as testing general relativity, gravitational wave detection, high-precision spectroscopy, and other applications in quantum physics. OPUS has researched the central components of an optical clock. The optical spectroscopy part represents the flywheel of the clock, and the frequency comb the clockwork, so to speak. Optical clocks based on this technology have already demonstrated a relative frequency stability that is an order of magnitude better than those based on gas cells. Despite the more complex structure, there is the potential to become compact, robust and reliable enough to be used in space in the medium to long term. The aim of this sub-project was to develop a robust and compact, narrow-band laser system based on a Fabry-Perot cavity, i.e. an optical reference to ensure the short-time stability of the clock. In the second part of the project, the individual modules of the optical clock were to be integrated into an overall system.