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 Max-Planck-Princeton-Partnerschaft in der Fusionsforschung bestätigt
23.11.2017 | Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

nachricht Magnetfeld-Sensor Argus „sieht“ Kräfte im Bauteil
23.11.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung