Cäsium-Atomuhren Eine AWG-Karte erzeugt HF-Signale für die Lasersteuerung

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Spectrum Instrumentation zufolge setzt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt eine PXIe-AWG-Karte des Typs M4x.6622-x4 in einem Aufbau mit Cäsium-Fontänenuhren ein. Die Karte erzeugt HF-Signale für akustooptische Modulatoren.

Cäsium-Fontänenuhren gehören zu den genauesten primären Frequenznormalen. Sie liefern eine hochgenaue Referenz für die Darstellung und Weitergabe der gesetzlichen Zeit. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig betreibt mit CSF1 und CSF2 zwei solche Uhren. Ihre Messungen fließen unter anderem in UTC(PTB) und damit in die internationale Koordinierte Weltzeit UTC ein. Das Funktionsprinzip beruht auf dem genau definierten Übergang in Cäsium-133. Die Frequenz von 9.192.631.770 Hz dieses Übergangs bildet die Grundlage für die Definition der SI-Basiseinheit Sekunde. Für die Messung werden Cäsiumatome zunächst mit Laserlicht abgebremst und auf sehr tiefe Temperaturen gekühlt. Anschließend werden sie senkrecht nach oben geworfen. Daher rührt die Bezeichnung „Fontäne“.

Auf ihrer Flugbahn passieren die Atome zweimal eine Mikrowellenkavität: einmal auf dem Weg nach oben und ein zweites Mal beim Zurückfallen. Diese beiden Wechselwirkungen bilden eine Ramsey-Abfrage. Aus der Wahrscheinlichkeit, mit der die Atome ihren inneren Zustand ändern, lässt sich ableiten, wie genau die angelegte Mikrowellenfrequenz mit dem Cäsiumübergang übereinstimmt. Jeder Fontänenzyklus umfasst unter anderem das Laden und Kühlen der Atome, ihren Start, die Ramsey-Abfrage und die Detektion. Hinzu kommen die dazwischenliegenden ballistischen Flugphasen. Für die Regelung der Mikrowellenfrequenz wird die Frequenzabweichung abwechselnd auf beiden Seiten des Übergangs abgetastet. Dadurch erfasst das System die linke und die rechte Seite der symmetrischen Übergangswahrscheinlichkeitskurve.

Die tatsächliche Übergangsfrequenz ergibt sich dabei näherungsweise aus dem Mittelwert der beiden Frequenzen, bei denen die Übergangswahrscheinlichkeit jeweils 50 Prozent beträgt. Nach einem etwa 1,2 s dauernden Messzyklus beginnt der Ablauf von Neuem. Die Uhren arbeiten kontinuierlich.

So werden die Cäsiumatome abgekühlt

Wie die Abkühlung abläuft, erläutert Dr. Johannes Rahm, Mitglied der PTB-Abteilung Zeit und Frequenz: „Vor der Messung muss zunächst eine Wolke ultrakalter Atome geladen werden. Dies geschieht mithilfe einer magneto-optischen Falle (CSF1) oder einer optischen Melasse (CSF2). In beiden Fällen werden Laser in einer spezifischen geometrischen Ausrichtung leicht unterhalb eines optischen Übergangs von Cäsium-133 verstimmt. Aufgrund der thermischen Restbewegung wird dieses Laserlicht zur Übergangsfrequenz hin Doppler-verschoben. Durch Absorption von Photonen des Lasers und Impulserhaltung werden die Atome in der Wolke abgebremst und somit abgekühlt.“

Bei CSF1 übernimmt eine magneto-optische Falle die Kühlung und räumliche Bündelung der Atome. Bei CSF2 kommt dafür eine optische Melasse zum Einsatz. In beiden Fällen wird die Bewegung der Cäsiumatome durch die Wechselwirkung mit den Laserstrahlen reduziert.

Digitale Signalsteuerung statt analoger Schaltung

Für die präzise und reproduzierbare Steuerung der Laser kam bislang eine komplexe analoge Signalverarbeitung zum Einsatz. Das System war von PTB-Ingenieuren und Wissenschaftlern entwickelt worden. Aufgrund des hohen Aufwands für Wartung und Weiterentwicklung untersuchte Dr. Johannes Rahm nach Angaben von Spectrum Instrumentation, wie sich die analoge Lösung durch eine digitale Signalverarbeitung ersetzen lässt.

Im Zuge dieser Untersuchungen fiel die Wahl laut Spectrum Instrumentation auf Arbitrary-Waveform-Generatoren im PXIe-Format. Die eingesetzte Karte erzeugt HF-Signale für akustooptische Modulatoren (AOMs). Diese können die Frequenz und Intensität der Laserstrahlung verändern, die bei der Kühlung, Zustandsvorbereitung und Detektion der Cäsiumatome zum Einsatz kommt.

Für die beschriebene Anwendung ist nicht nur die Signalamplitude oder die maximale Abtastrate der AWG relevant. Entscheidend sind auch die zeitliche Wiederholbarkeit der Signalfolgen, die Synchronisation mehrerer Kanäle und das reproduzierbare Starten definierter Sequenzen. Die AWG übernimmt damit eine Aufgabe in der Steuer- und Signalebene des Experiments.

Steuersignale für den optischen Aufbau

Für den Messablauf müssen zahlreiche optische und elektrische Signale zeitlich aufeinander abgestimmt werden. Dazu zählen unter anderem die Lasersignale für die Kühlung, den Atomtransport und die Zustandsdetektion. Nach Angaben von Spectrum Instrumentation kommt in dem beschriebenen PTB-Aufbau eine Arbitrary-Waveform-Generator-Karte (AWG) des Typs M4x.6622-x4 zum Einsatz. Sie erzeugt HF-Signale für AOMs, die die Frequenz und Intensität der Laserstrahlung beeinflussen. Die PXIe-Karte M4x.6622-x4 gehört zur 66xx-Familie von Spectrum Instrumentation. Laut Hersteller verfügt sie über eine vertikale Auflösung von 16 Bit, vier synchronisierte Ausgangskanäle und eine maximale Abtastrate von 625 MS/s. Die analoge Bandbreite gibt Spectrum mit 200 MHz an.

Für den Einsatz in einem Atomuhren-Aufbau ist dabei nicht allein die maximale Abtastrate entscheidend. Relevant sind vielmehr die zeitliche Wiederholbarkeit der Signalsequenzen, die Synchronisation der Kanäle und die Anbindung an eine externe Zeit- oder Frequenzreferenz. Die AWG muss definierte Signalverläufe zu festgelegten Zeitpunkten erzeugen und zwischen den einzelnen Zyklen reproduzierbar wiederholen. Spectrum Instrumentation nennt in diesem Zusammenhang einen sogenannten „Sequence Restart Mode“. Damit lassen sich gespeicherte Signalsequenzen gezielt und wiederholbar neu starten. Das ist für Experimente relevant, die aus vielen identischen Zyklen bestehen und bei denen die zeitliche Lage der optischen und elektrischen Steuersignale möglichst konstant bleiben muss.

Die Rolle der AWG und die Genauigkeit der Atomuhr

Die verwendete AWG ist Bestandteil der Steuer- und Signalebene des Experiments. Sie bildet nicht automatisch die Zeitbasis der Atomuhr und ersetzt nach den verfügbaren Angaben auch nicht zwingend deren Mikrowellensynthesizer. Aus dem Einsatz der Karte allein lässt sich außerdem keine höhere Genauigkeit der Atomuhr ableiten. Ihr Beitrag liegt zunächst darin, die für den Messablauf erforderlichen HF-Signale kontrolliert, synchronisiert und reproduzierbar bereitzustellen. Ob sich dadurch die Stabilität oder die Unsicherheit der Atomuhr verbessert, müsste durch entsprechende Messdaten oder einen Vorher-nachher-Vergleich belegt werden. (heh)

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