Der schärfste Laserstrahl der Welt

Neues aus der Forschung

Meldung vom 30.06.2017

Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickelt einen Laser mit nur 10 mHz Linienbreite


170630-1216_medium.jpg
D. G. Matei, T. Legero, S. Häfner, C. Grebing, R. Weyrich, W. Zhang, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, J. Ye, F. Riehle, U. Sterr. 2017. Physical Review Letters 118, 2632202.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.263202
 
Einer der beiden Siliziumresonatoren
Foto: PTB

So nah an den idealen Laser kam bisher noch keiner: In der Theorie hat ein Laser zwar genau eine einzige Farbe (Frequenz bzw. Wellenlänge). In Wirklichkeit gibt es jedoch immer eine gewisse Linienbreite. Der Laser, den Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) jetzt zusammen mit US-Forschern vom JILA, einem gemeinsamen Institut des amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) und der Universität Boulder, Colorado, entwickelt haben, stellt mit einer Linienbreite von nur 10 mHz einen neuen Weltrekord auf. Diese Präzision ist nützlich für diverse Anwendungen: etwa optische Atomuhren, Präzisionsspektroskopie, Radioastronomie und Tests der Relativitätstheorie. Die Ergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe von Physical Review Letters veröffentlicht.

Er galt zunächst als Lösung ohne Problem: der Laser. Doch das ist lange her. Mehr als 50 Jahre nach der ersten technischen Realisierung ist der Laser aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Laserlicht findet unzählige Anwendungen in der Industrie, der Medizin und der Informationsverarbeitung; viele Bereiche in Forschung und Messwesen wurden durch den Laser revolutioniert oder überhaupt erst ermöglicht.

Eine der herausragenden Eigenschaften des Lasers ist die große Kohärenz des ausgestrahlten Lichtes. Für die Forscher ist dies ein Maß für die Takttreue und die Linienbreite der Lichtwelle. Im Idealfall besitzt Laserlicht nur eine feste Wellenlänge bzw. Frequenz. In der Praxis ist das Spektrum der meisten Lasertypen jedoch einige kHz bis MHz breit – für viele Präzisionsexperimente ist das nicht gut genug.

Daher wird intensiv an immer besseren Lasern mit höherer Frequenzstabilität und kleinerer Linienbreite geforscht. In einem gemeinsamen Projekt mit US-amerikanischen Kollegen vom JILA in Boulder, Colorado, wurde in der PTB nun ein Laser entwickelt, dessen Linienbreite mit nur noch 10 mHz (0,01 Hz) einen neuen Weltrekord aufstellt. „Je kleiner die Linienbreite des verwendeten Lasers ist, desto genauer lässt sich die Frequenz der Atome in einer optischen Atomuhr ermitteln. Mit dem neuen Laser können wir die Qualität unserer Uhren daher entscheidend verbessern“, erklärt PTB-Physiker Thomas Legero.

Zusätzlich zur extrem kleinen Linienbreite konnten er und seine Kollegen eine bisher unerreichte Takttreue des Laserlichtes messen. Obwohl die Lichtwelle knapp 200 Billionen Mal pro Sekunde schwingt, gerät sie bei dem neuen Laser erst nach etwa 11 Sekunden aus dem Takt. Der ausgestrahlte perfekte Wellenzug hat dann schon eine Länge von etwa 3,3 Millionen Kilometern erreicht. Das entspricht fast dem Zehnfachen der Entfernung Erde – Mond.

Da es weltweit keinen vergleichbar guten Laser gab, mussten die Forscher an der PTB gleich zwei solcher Lasersysteme aufbauen: Erst durch Vergleich dieser beiden Laser konnten die herausragenden Eigenschaften des Lichtes nachgewiesen werden.

Herzstück der Laser ist ein jeweils 21 cm langer Fabry-Pérot-Resonator aus Silizium. Er besteht aus zwei gegenüberliegenden hochreflektierenden Spiegeln, die durch einen Abstandshalter in Form eines Doppelkonus zueinander fixiert werden. Wie bei einer Orgelpfeife bestimmt die Resonatorlänge die Frequenz der anschwingenden Welle, in diesem Fall der Lichtwelle im Resonator. Eine spezielle Stabilisierungselektronik sorgt dafür, dass die Lichtfrequenz des Lasers stets der Eigenschwingung des Resonators folgt. Die Stabilität des Lasers und damit seine Linienbreite hängen dann nur noch von der Längenstabilität des Fabry-Pérot-Resonators ab.

Die PTB-Forscher mussten den Resonator daher nahezu perfekt von allen Umwelteinflüssen isolieren, die seine Länge verändern können. Dazu gehören Temperatur- und Druckschwankungen, aber auch äußere Erschütterungen durch Seismik oder Schall. Dies ist so gut gelungen, dass schließlich nur noch die thermische Bewegung der Atome im Resonator übrigblieb. Dieses sogenannte thermische Rauschen entspricht der Brown’schen Bewegung und stellt eine fundamentale Grenze der Längenstabilität eines Körpers dar. Ihre Größe wird durch die verwendeten Resonatormaterialien und die Temperatur des Resonators bestimmt.

Dies ist der Grund, weshalb die Forscher den Resonator aus einem Silizium-Einkristall gefertigt haben, der auf eine Temperatur von -150°C abgekühlt wird. Das thermische Rauschen des Siliziumkörpers ist so gering, dass die beobachteten Längenfluktuationen nur noch von dem thermischen Rauschen der dielektrischen Spiegelschichten aus SiO2/Ta2O5 herrühren. Obwohl die Spiegelschichten nur wenige Mikrometer dick sind, dominieren sie die Längenstabilität des Resonators. Insgesamt schwankt die Resonatorlänge aber nur noch im Bereich von 10 Attometern. Diese Länge entspricht gerade einmal dem Zehnmillionstel Teil der Größe eines Wasserstoffatoms. Die resultierenden Frequenzschwankungen des Lasers betragen daher weniger als 4 · 10–17 der Laserfrequenz.

Die neuen Laser werden nun in der PTB in Braunschweig und beim JILA in Boulder verwendet, um die Qualität von optischen Atomuhren weiter zu verbessern und neue Präzisionsmessungen an ultrakalten Atomen durchzuführen. In der PTB wird das ultrastabile Licht bereits über Lichtleiter verteilt und von den optischen Atomuhren in Braunschweig genutzt. „Künftig soll das Licht auch innerhalb eines europäischen Netzwerks verteilt werden. Damit werden noch präzisiere Vergleiche zwischen den optischen Uhren in Braunschweig und den Uhren unserer europäischen Kollegen in Paris und London möglich sein“, sagt Legero. In Boulder plant man eine ähnliche Strecke zwischen dem JILA und verschiedenen Laboratorien des NIST.

Für die Zukunft sehen die Forscher noch weitere Optimierungsmöglichkeiten. Mit neuartigen kristallinen Spiegelschichten und tieferen Temperaturen lässt sich das störende thermische Rauschen weiter reduzieren. Die Linienbreite könnte dann sogar kleiner als 1 mHz sein.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung