DE-102024127355-B4 - Atominterferometer mit verbesserter gemeinsamer Rauschunterdrückung

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Atominterferometer mit einer Laserlichtquelle, durch die erstes Laserlicht mit einer Grundfrequenz abstrahlbar ist, und mit wenigstens einer Lichtabgabevorrichtung, durch die zweites Laserlicht mit einer Frequenz abgebbar ist, die um eine Differenzfrequenz von der Grundfrequenz abweicht, und mit einer Atomfalle, in der ein oder mehrere Atomensembles einfangbar und mit dem ersten und dem zweiten Laserlicht bestrahlbar sind.

Inventors

• Mareike Hetzel
• Christian Schubert
• Carsten Klempt

Assignees

• Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20240923

Claims (8)

1. Atominterferometer (7) mit einer Laserlichtquelle (1), durch die erstes Laserlicht mit einer Grundfrequenz (f 1 ) abstrahlbar ist, und mit wenigstens einer Lichtabgabevorrichtung (2), durch die zweites Laserlicht mit einer Frequenz (f 2 ) abgebbar ist, die um eine Differenzfrequenz (Δf) von der Grundfrequenz (f 1 ) abweicht, und mit einer Atomfalle (3), in der ein oder mehrere Atomensembles (4, 5) einfangbar und mit dem ersten und dem zweiten Laserlicht bestrahlbar sind, dadurch gekennzeichnet , dass a) im Fall mehrerer Atomensembles (4, 5) die optische Weglänge (d 1 ) zwischen zwei Atomensembles (4, 5), die einander als Paar zugeordnet sind und eine Gradiometer-Anordnung bilden, der halben Wellenlänge (λ/2) oder einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (λ/2) der Differenzfrequenz (Δf) oder einer anderen Störfrequenz entspricht und/oder b) die optische Weglänge zwischen einem (d 2 ) Atomensemble (4, 5) und einem das erste und das zweite Licht reflektierenden Spiegel (6) des Atominterferometers (7) der halben Wellenlänge (λ/2) oder einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (λ/2) der Differenzfrequenz (Δf) oder einer anderen Störfrequenz entspricht.
2. Atominterferometer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass das Atominterferometer (7) als Gradiometer ausgebildet ist, bei dem zwei einander als Paar zugeordnete Atomensembles (4, 5) die Gradiometer-Anordnung bilden.
3. Atominterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das Atominterferometer (7) als Gravimeter ausgebildet ist.
4. Atominterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Lichtabgabevorrichtung (2) als optischer Modulator ausgebildet ist, durch den das erste Laserlicht durch optische Modulation in das zweite Laserlicht wandelbar ist.
5. Atominterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die optische Weglänge (d 1 ) zwischen zwei einander als Paar zugeordneten Atomensembles (4, 5) durch den Abstand der Start- und/oder Endorte zweier Interferometer voneinander festgelegt ist.
6. Atominterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die optische Weglänge (d 1 ) zwischen zwei einander als Paar zugeordneten Atomensembles (4, 5) durch den Abstand zweier Interferometrie-Interaktionszonen voneinander festgelegt ist.
7. Atominterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die optische Weglänge (d 1 ) zwischen zwei einander als Paar zugeordneten Atomensembles (4, 5) durch Strahlteileroperationen festgelegt ist.
8. Atominterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die optische Weglänge eines Atomensembles (4, 5) zu einem das erste und das zweite Licht reflektierenden Spiegel (6) durch den Abstand einer Interferometrie-Interaktionszone von dem Spiegel (6) festgelegt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Atominterferometer mit einer Laserlichtquelle, durch die erstes Laserlicht mit einer Grundfrequenz abstrahlbar ist, und mit wenigstens einer Lichtabgabevorrichtung, durch die zweites Laserlicht mit einer Frequenz abgebbar ist, die um eine Differenzfrequenz von der Grundfrequenz abweicht, und mit einer Atomfalle, in der ein oder mehrere Atomensembles einfangbar und mit dem ersten und dem zweiten Laserlicht bestrahlbar sind. Atominterferometrische Gravimeter bieten langzeitstabile, absolute Schweremessungen. Ihr Messprinzip bietet im Vergleich zu den verbreiteten Lasergravimetern (FG5X) die Möglichkeit quasikontinuierlicher Datenaufnahme über einen längeren Zeitraum sowie die Perspektive einer höheren Genauigkeit. Es wurden bereits transportable und kommerzielle Geräte realisiert sowie auch auf einer mobilen Plattform wie einem Schiff betrieben. Ein wesentlicher Bestandteil eines atominterferometrischen Gravimeters oder allgemein eines Atominterferometers ist die Quelle für kalte Atome. Typischerweise basieren diese auf Laserkühlung in magnetooptischen Fallen und Polarisationsgradientenkühlung. Eine dreidimensionale magnetooptische Falle benötigt neben Magnetfeldern auch Lichtfelder, die typischerweise auf den drei Raumachsen jeweils anti-parallel eingestrahlt werden, um eine sogenannte Wechselwirkungszone zum Kühlen gefangener Atome zu bilden. Dies impliziert einen vergleichsweise komplexen Aufbau mit mehreren Strahlformungsoptiken und entsprechenden optischen Zugängen zum Vakuumsystem, in dem die Atome gefangen und gekühlt werden. Speziell ausgelegte Pyramiden- oder Gitterstrukturen wurden erfolgreich dafür verwendet, aus einem einzigen einfallenden Laserstrahl eine Strahlgeometrie zu schaffen, die effektiv in allen drei Raumachsen kühlen kann. Wesentlicher Bestandteil eines atominterferometrischen Gravimeters ist das Lasersystem, welches die Laserstrahlen für die Interferometriepulse erzeugt. Die Interferometriepulse wirken auf das atomare Ensemble (d.h. die in einer Wechselwirkungszone gefangene Atomwolke) in zwei oder mehr Wechselwirkungszonen im Vakuumsystem. Durch die Interferometriepulse werden die Atome in quantenmechanische Superpositionszustände überführt, die sich räumlich auftrennen, und zur Interferenz wieder zusammengeführt. Das Interferenzsignal ist hierbei sensitiv auf Beschleunigungen, wodurch ein Gravimeter realisiert werden kann. Die Laserstrahlen benötigen üblicherweise zwei verschiedene Frequenzkomponenten, die gleichzeitig eingestrahlt werden. Zur Erzeugung dieser Frequenzkomponenten gibt es verschiedene Möglichkeiten, bei denen Kompromisse zwischen Volumen, Kosten und der Reinheit des Frequenzspektrums getroffen werden müssen. Eine beliebte Lösung ist die Frequenzmodulation eines Lasers beispielsweise mittels akusto-optischer oder elektro-optischer Modulatoren (AOMs und EOMs), da sie ein kompaktes und kostengünstiges Lasersystem ermöglicht. Durch die Erzeugung der gewünschten Frequenzen mit optischen Modulatoren entstehen aber auch unerwünschte Frequenzanteile, die die Signalqualität beeinträchtigen. Da atominterferometrische Gravimeter Laserstrahlen aus beiden vertikalen Raumrichtungen erfordern, wird der Laserstrahl häufig erst aus einer Richtung auf das atomare Ensemble gerichtet und nach der Passage durch einen Spiegel wieder zurückreflektiert. Dadurch werden beide Raumrichtungen abgedeckt. Eine wichtige Anwendung von Gravimetern ist deren Verwendung für Gradiometer, bei denen zwei räumlich getrennte Gravimeter gleichzeitig betrieben werden. Aus dem Differenzsignal lässt sich die erste Ableitung der Schwerkraft ermitteln, der Gravitationsgradient. Für das Differenzsignal ergibt sich eine gemeinsame Rauschunterdrückung (common-noise rejection), bei der das Gradiometersignal nur von technischen Rauschquellen verschlechtert wird, die unterschiedlich auf die beiden Gravimeter wirken. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass die beiden Gravimeter möglichst symmetrisch betrieben werden, um maximal von der beschriebenen Rauschunterdrückung zu profitieren. In der Interferometrie werden im Wesentlichen die Phasenbeziehungen zweier Wellen gemessen, in diesem Fall von Materiewellen. Wenn man mit dem Atominterferometer beispielsweise den Gradienten der Gravitation messen möchte, dann enthält das obere Atominterferometer die Gravitationsinformation über die Gravitation in einer Höhe h1 und das untere Atominterferometer die Gravitationsinformation in einer Höhe h2. Je größer der Abstand der Atominterferometer ist, desto größer wird das Differenzsignal. Aus Atominterferometer 1 und 2 erhält man (vereinfacht dargestellt) φ1=φh1+φSto¨rung(h1)und φ2=φh2+φSto¨rung(h2). Wenn die Störung durch eine unerwünschte Frequenzkomponente erzeugt wird, ist sie periodisch mit dem Abstand, sodass die Störung in verschiedenen Abständen denselben Wert hat. Wenn man dann den Gradienten berechnet, fallen die Störterme heraus:Δφ=φ1−φ2=φh1+φSto¨rung(h1)−φh2+φSto¨rung(h2)=φh1−φh2 Der Stand der