Les horloges atomiques ne sont plus basées sur une transition micro-onde dans le césium, au lieu de cela fonctionnant avec d'autres atomes qui sont excités en utilisant des fréquences optiques. Certaines de ces nouvelles horloges sont portables. Dans son institut QUEST, PTB développe actuellement une horloge optique aluminium transportable afin de mesurer des phénomènes physiques en dehors d'un laboratoire. Une condition préalable à cela est que les lasers requis soient capables de supporter le transport vers d'autres emplacements. Les physiciens du PTB ont donc développé une unité de doublement de fréquence qui continuera à fonctionner lorsqu'elle aura été secouée à trois fois l'accélération gravitationnelle de la Terre. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro du Examen des instruments scientifiques .

C'est Einstein qui a déterminé que deux horloges situées à deux positions différentes dans le champ gravitationnel de la Terre fonctionnent à des vitesses différentes. Ce qui semble initialement bizarre a des effets assez pratiques :deux horloges atomiques optiques avec une incertitude de mesure relative extrêmement faible de 10 ^-18 peut mesurer la différence de hauteur entre des points arbitraires de la Terre avec une précision d'un centimètre seulement. Ce nivellement dit chronométrique représente une application importante des horloges en géodésie. L'une des conditions préalables à cela est que les fréquences optiques des deux horloges puissent être comparées.

PTB développe actuellement plusieurs types d'horloges atomiques pouvant chacune être transportée dans une remorque ou dans un conteneur. Leur exploitation en dehors d'un laboratoire protégé, cependant, implique de nombreux défis :La température ambiante, par exemple, est beaucoup moins stable. Par ailleurs, des chocs importants peuvent se produire pendant le transport. C'est pourquoi des structures optiques qui ont parfaitement fonctionné en laboratoire peuvent être dans un premier temps inutilisables à destination. Ils doivent être minutieusement réajustés, ce qui entraîne une perte de temps de recherche précieux.

Ce problème concerne l'horloge en aluminium transportable en cours de développement à l'Institut QUEST. Cette horloge nécessite deux lasers UV à 267 nm. Pour cette longueur d'onde, les chercheurs ont développé un laser infrarouge à ondes longues qui peut être doublé en fréquence deux fois de suite. Au cours de ce processus, la lumière est couplée dans un anneau fermé de quatre miroirs de sorte qu'une puissance optique élevée circule à l'intérieur de l'anneau. Un cristal non linéaire placé dans cet anneau transforme la lumière circulante en lumière de la moitié de la longueur d'onde.

En raison du revêtement dichroïque du miroir, la lumière circulante sort du résonateur et est ensuite utilisée pour la lecture de l'horloge. L'institut QUEST a développé une conception pour cette cavité dite à doublement de fréquence, qui est basé sur un monolithique, cadre très stable sur lequel tous les miroirs et le cristal sont montés. Ce scellé, l'installation est étanche au gaz à l'extérieur afin de protéger le cristal, qui est très sensible même à la moindre contamination.

Les développeurs de la cavité ont pu démontrer sur un prototype qu'elle double également la lumière laser alors qu'elle est exposée à des accélérations de 1 g. Par ailleurs, ils ont démontré que l'efficacité de doublement de fréquence n'est pas altérée après avoir été soumis à des accélérations allant jusqu'à 3 g pendant 30 minutes. Cela correspond à cinq fois la valeur indiquée dans la norme ISO 13355:2016 sur le transport routier par camion. La cavité est, cependant, non seulement robuste mécaniquement, mais il est tout aussi efficace que des systèmes comparables qui ont été développés par des groupes de recherche d'autres instituts. De plus, 130 heures de fonctionnement continu ininterrompu ont été démontrées.

Au vu de ces propriétés, le QUEST Institute a réalisé plusieurs de ces cavités de doublement pour différentes longueurs d'onde (pas seulement pour les UV) qui sont devenues des composants à part entière de diverses expériences d'optique quantique, dans le but de fournir ces expériences de manière fiable avec de la lumière laser. De plus, une société allemande d'optomécanique a autorisé la conception afin de l'utiliser comme base pour un produit commercial.