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Transportable clock based on Ramsey-Bordé-Interferometer of thermal Strontium beam

Deepak Pandey, Oliver Fartmann, Amir Mahdian, Ingmari C. Tietje, Marc Christ, Jonas Hamperl, Martin Gärtner, Christoph Tyborski, Max Schiemangk, Andreas Wicht, P. Zimmermann, Max Drechsler, P. Hanke, Franz J. F. Löchner, Stefan Schippel, Florian Löwinger, Christoph Bartlitz, Alexander Klimow, Andreas Trützschler, Klaus Bergner, Enrico Vogt, M. L. Fischer, Markus Krutzik, Ronald Holzwarth

Published Jan 1, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

We present a compact and transportable optical atomic clock with Ramsey-Bordé-interferometry on a thermal strontium beam with short-term stability of 1 ×10−13 given by a cavity and a target long-term stability of 1 × 10−15.
DOI
10.1364/cleo_si.2025.ss116_1

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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 sigma_y(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.

•Jun 2, 2026•0 citations

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Herein, we report the scheme of an optically pumped atomic clock based on a cold cesium atomic beam source. We propose the laser system and physical mechanism of this atomic clock, wherein the atomic beam travels in an upper parabolic trajectory, thereby eliminating the light shift effect. In the experiments, when the length of the free evolution region was 167 mm, the line width of the Ramsey fringe was 37 Hz. When the expected signal-to-noise ratio of the Ramsey fringe that can be achieved is 36,000, the expected short-term frequency stability is about 3.6 × 10–14/√τ, which is significantly higher than that of a conventional optically pumped cesium clock of similar volume.

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