Ramsey-Bordé Interferometry on a Thermal Strontium Beam for a Compact Optical Clock

Kompakte optische Atomuhren gewinnen zunehmend an Bedeutung für mobile Anwendungen und verteilte Netzwerke. Systeme, die auf Ramsey-Bordé-Interferometrie (RBI) mit thermischen Atomstrahlen basieren, stellen dabei einen vielversprechenden Ansatz dar: Sie erreichen eine höhere Frequenzstabilität als Dampfzellenuhren und bleiben zugleich deutlich weniger komplex als Uhren mit kalten Atomen. Bislang wurden RBI-Uhren jedoch ausschließlich in Laborumgebungen realisiert. Diese Arbeit demonstriert RBI auf dem schmalen 1S0 --> 3P1-Übergang in Strontium bei 689 nm. Zentrale Subsysteme wurden systematisch optimiert, darunter die Vorstabilisierung des Uhrenlasers auf einen optischen Resonator, die Weiterentwicklung der Atomquelle, die Generierung von Fehlersignalen mittels Spektroskopie, die Optimierung der Rückkopplungsschleifen sowie eine quantitative Untersuchung der Stabilitätsbegrenzungen. Die Empfindlichkeiten des Gesamtsystems gegenüber externen Störeinflüssen wurden charakterisiert, was für zukünftige Verbesserungen genutzt werden kann. Die erste funktionsfähige Uhr erreichte Frequenzinstabilitäten unter sigmaᵧ (tau) < 1 x 10^ (-13) für Mittelungszeiten zwischen 1 s und 1000 s, wobei Temperaturschwankungen als dominierende Limitierung identifiziert wurden. Aufbauend darauf wurden zwei kompakte und portable RBI-Spektroskopiemodule mit projizierten Instabilitäten im Bereich von 1 x 10^ (-15) und einem Volumen von lediglich 20 l entwickelt. Zudem wurde ein vollständiges Uhrensystem in einem 19-Zoll-Rack realisiert, welches Laserquellen, Steuerelektronik und einen Frequenzkamm umfasst. Diese entwickelten Systeme dienen als bodengebundene Demonstratoren und Testplattformen und bilden die Grundlage für zukünftige mobile sowie weltraumtaugliche optische Uhren.