Der schärfste Laserstrahl der Welt

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.
ptb

Ansprechpartner
Dr. Thomas Legero, PTB-Fachbereich 4.3 Quantenoptik und Längeneinheit,
Telefon: (0531) 592-4306, E-Mail: thomas.legero@ptb.de

Die wissenschaftliche Veröffentlichung:
D. G. Matei, T. Legero, S. Häfner, C. Grebing, R. Weyrich, W. Zhang, L. Sonderhouse, J. M. Robinson, J. Ye, F. Riehle, U. Sterr: 1.5 µm Lasers with sub-10-mHz Linewidth. Physical Review Letters 118, 2632202 (2017)

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