Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der stabilste Laser der Welt

12.09.2012
Neuer Silizium-Resonator hält die Frequenz eines Lasers so stabil wie nie zuvor – wichtig für noch bessere optische Atomuhren

Ein Laser mit einer bisher unerreichten Frequenzstabilität – das ist das Ergebnis einer Forschungskooperation der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) innerhalb des Exzellenzclusters QUEST (Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research) mit Kollegen aus dem amerikanischen NIST (National Institute of Standards and Technology)/JILA.


Foto: Der neue Silizium-Resonator im Größenvergleich mit einer Münze
(Abb.: PTB)

Ihre Entwicklung, über die sie in der Fachzeitschrift Nature Photonics berichten, ist wichtig für die höchstauflösende optische Spektroskopie z. B. von ultrakalten Atomen. Doch vor allem steht jetzt ein noch stabilerer Abfragelaser für den Einsatz in optischen Atomuhren zur Verfügung.

Für den Betrieb optischer Atomuhren werden Laserquellen benötigt, die Licht mit möglichst gleichbleibender Frequenz ausstrahlen. Kommerzielle Lasersysteme sind ohne weitere Maßnahmen hierfür ungeeignet. Damit die Laser aber eine möglichst konstante Frequenz abgeben, stabilisiert man sie beispielsweise mithilfe optischer Resonatoren.
Diese setzen sich aus zwei hochreflektierenden Spiegeln zusammen, die durch einen Abstandshalter in fester Entfernung gehalten werden. Das Entscheidende: In Analogie zu einer Orgelpfeife bestimmt die Resonatorlänge, mit welcher Frequenz Licht im Resonator anschwingen kann. Für einen stabilen Laser wird folglich ein Resonator mit hoher Längenstabilität benötigt, d. h. der Abstand zwischen den Spiegeln muss so gut wie möglich konstant gehalten werden.

Moderne resonatorstabilisierte Lasersysteme sind mittlerweile technisch so ausgereift, dass ihre Stabilität nur noch durch das thermische Rauschen der Resonatoren begrenzt ist. Ähnlich zur Brown´schen Molekularbewegung sind die Atome in dem Resonator ständig in Bewegung und schränken damit seine Längenstabilität ein. Bisherige Resonatoren bestanden aus Glas, dessen ungeordnete und „weiche“ Materialstruktur besonders starke Bewegungen zeigt. Für den neuen Resonator hat die Forschergruppe einkristallines Silizium verwendet, ein besonders „steifes“ und deshalb rauscharmes Material.

Abgekühlt auf eine Temperatur von 124 K (-149 Grad Celsius) zeichnet sich Silizium durch eine verschwindend kleine Wärmeausdehnung aus und noch vorhandenes thermisches Rauschen wird zusätzlich reduziert. Um den Resonator bei dieser Temperatur betreiben zu können, mussten die Forscher zunächst einen geeigneten schwingungsarmen Kryostaten entwerfen. Das Resultat kann sich sehen lassen: Durch Vergleichsmessungen mit zwei Glasresonatoren konnten die Wissenschaftler eine bisher unerreichte Frequenzstabilität von 1 • 10-16 für den auf den Silizium-Resonator stabilisierten Laser nachweisen.

Damit können sie ein wichtiges Hindernis bei der Entwicklung noch besserer optischer Atomuhren aus dem Weg räumen. Denn die Stabilität der dabei verwendeten Laser ist ein kritischer Punkt. Das „Pendel“, also das schwingende System einer solchen Uhr, ist eine schmale optische Absorptionslinie in einem Atom oder Ion, deren Übergangsfrequenz von einem Laser ausgelesen wird. Die Linienbreite dieser Übergänge beträgt typischerweise wenige Millihertz, ein Wert, der durch die begrenzte Längenstabilität von Glasresonatoren nicht erreicht werden konnte.

Aber jetzt ist es möglich. Der Laser, der auf den Silizium-Resonator stabilisiert ist, erreicht eine Linienbreite von weniger als 40 mHz und kann daher dazu beitragen, bei der Entwicklung von optischen Atomuhren in eine neue Dimension vorzustoßen. Und auch die optische Präzisionsspektroskopie, ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Exzellenzclusters QUEST, kann entscheidende Impulse bekommen.

„Für die Zukunft sehen wir noch Spielräume bei den optischen Spiegeln, deren thermisches Rauschen die erreichbare Stabilität begrenzt“, erklärt PTB-Physiker Christian Hagemann. Daher wollen die Forscher zukünftig zu noch tieferen Temperaturen gehen und neuartige hochreflektierende Strukturen verwenden, um die Frequenzstabilität noch einmal um eine Größenordnung verbessern zu können. es/ptb

Wissenschaftliche Veröffentlichung:
Kessler, T.; Hagemann, C.; Grebing, C.; Legero, T.; Sterr, U.; Riehle, F.; Martin, M.J.; Chen, L.; Ye, J.:
A sub-40-mHz-linewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity. Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2012.217,
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2012.217.html

Ansprechpartner:
Christian Hagemann, PTB-Arbeitsgruppe 4.32 Quantenoptik mit kalten Atomen,
Tel. (0531) 592-4357, E-Mail: christian.hagemann@ptb.de

Erika Schow | PTB
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de
http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2012.217.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

nachricht Quanten-Übertragung auf Knopfdruck
14.06.2018 | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Im Focus: First real-time test of Li-Fi utilization for the industrial Internet of Things

The BMBF-funded OWICELLS project was successfully completed with a final presentation at the BMW plant in Munich. The presentation demonstrated a Li-Fi communication with a mobile robot, while the robot carried out usual production processes (welding, moving and testing parts) in a 5x5m² production cell. The robust, optical wireless transmission is based on spatial diversity; in other words, data is sent and received simultaneously by several LEDs and several photodiodes. The system can transmit data at more than 100 Mbit/s and five milliseconds latency.

Modern production technologies in the automobile industry must become more flexible in order to fulfil individual customer requirements.

Im Focus: ALMA entdeckt Trio von Baby-Planeten rund um neugeborenen Stern

Neuartige Technik, um die jüngsten Planeten in unserer Galaxis zu finden

Zwei unabhängige Astronomenteams haben mit ALMA überzeugende Belege dafür gefunden, dass sich drei junge Planeten im Orbit um den Säuglingsstern HD 163296...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz – Schafft der Mensch seine Arbeit ab?

15.06.2018 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Asteroidenforschung in Garching

13.06.2018 | Veranstaltungen

Meteoriteneinschläge und Spektralfarben: HITS bei Explore Science 2018

11.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

EMAG auf der AMB: Hochproduktive Lösungen für die vernetzte Automotive-Produktion

15.06.2018 | Messenachrichten

AchemAsia 2019 in Shanghai

15.06.2018 | Messenachrichten

Dem Fettfinger zu Leibe rücken: Neuer Nanolack soll Antifingerprint-Oberflächen schaffen

15.06.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics