Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Der schärfste Laserstrahl der Welt

29.06.2017

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

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.


Einer der beiden Siliziumresonatoren

(Foto: PTB)

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)

Weitere Informationen:

http://www.ptb.de/cms/presseaktuelles/journalisten/nachrichten-presseinformation...

Dipl.-Journ. Erika Schow | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Weitere Berichte zu: Laser Laserlicht Laserstrahl Lichtwelle NIST PTB Physical Review Letters Resonator

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik
20.07.2018 | Technische Universität Berlin

nachricht Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT
18.07.2018 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

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: Future electronic components to be printed like newspapers

A new manufacturing technique uses a process similar to newspaper printing to form smoother and more flexible metals for making ultrafast electronic devices.

The low-cost process, developed by Purdue University researchers, combines tools already used in industry for manufacturing metals on a large scale, but uses...

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln autonom fahrende Kräne

Industriepartner kommen aus sechs Ländern

Autonom fahrende, intelligente Kräne und Hebezeuge – dieser Ingenieurs-Traum könnte in den nächsten drei Jahren zur Wirklichkeit werden. Forscher aus dem...

Im Focus: Superscharfe Bilder von der neuen Adaptiven Optik des VLT

Das Very Large Telescope (VLT) der ESO hat das erste Licht mit einem neuen Modus Adaptiver Optik erreicht, die als Lasertomografie bezeichnet wird – und hat in diesem Rahmen bemerkenswert scharfe Testbilder vom Planeten Neptun, von Sternhaufen und anderen Objekten aufgenommen. Das bahnbrechende MUSE-Instrument kann ab sofort im sogenannten Narrow-Field-Modus mit dem adaptiven Optikmodul GALACSI diese neue Technik nutzen, um Turbulenzen in verschiedenen Höhen in der Erdatmosphäre zu korrigieren. Damit ist jetzt möglich, Bilder vom Erdboden im sichtbaren Licht aufzunehmen, die schärfer sind als die des NASA/ESA Hubble-Weltraumteleskops. Die Kombination aus exquisiter Bildschärfe und den spektroskopischen Fähigkeiten von MUSE wird es den Astronomen ermöglichen, die Eigenschaften astronomischer Objekte viel detaillierter als bisher zu untersuchen.

Das MUSE-Instrument (kurz für Multi Unit Spectroscopic Explorer) am Very Large Telescope (VLT) der ESO arbeitet mit einer adaptiven Optikeinheit namens GALACSI. Dabei kommt auch die Laser Guide Stars Facility, kurz ...

Im Focus: Diamant – ein unverzichtbarer Werkstoff der Fusionstechnologie

Forscher am KIT entwickeln Fenstereinheiten mit Diamantscheiben für Fusionsreaktoren – Neue Scheibe mit Rekorddurchmesser von 180 Millimetern

Klimafreundliche und fast unbegrenzte Energie aus dem Fusionskraftwerk – für dieses Ziel kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit. Bislang...

Im Focus: Wiener Forscher finden vollkommen neues Konzept zur Messung von Quantenverschränkung

Quantenphysiker/innen der ÖAW entwickelten eine neuartige Methode für den Nachweis von hochdimensional verschränkten Quantensystemen. Diese ermöglicht mehr Effizienz, Sicherheit und eine weitaus geringere Fehleranfälligkeit gegenüber bisher gängigen Mess-Methoden, wie die Forscher/innen nun im Fachmagazin „Nature Physics“ berichten.

Die Vision einer vollständig abhörsicheren Übertragung von Information rückt dank der Verschränkung von Quantenteilchen immer mehr in Reichweite. Wird eine...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Stadtklima verbessern, Energiemix optimieren, sauberes Trinkwasser bereitstellen

19.07.2018 | Veranstaltungen

Innovation – the name of the game

18.07.2018 | Veranstaltungen

Wie geht es unserer Ostsee? Ein aktueller Zustandsbericht

17.07.2018 | Veranstaltungen

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

Neue Anwendungen für Mikrolaser in der Quanten-Nanophotonik

20.07.2018 | Physik Astronomie

Need for speed: Warum Malaria-Parasiten schneller sind als die menschlichen Abwehrzellen

20.07.2018 | Biowissenschaften Chemie

Die Gene sind nicht schuld

20.07.2018 | Medizin Gesundheit

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