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Der stabilste Laser der Welt

Besonders interessant für:
  • Entwickler von optischen Atomuhren
  • höchstauflösende Spektroskopie

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

Der neue Silizium-Resonator im Größenvergleich mit einer Münze

Für den Betrieb optischer Atomuhren werden Laserquellen benötigt, die Licht mit möglichst gleichbleibender Frequenz ausstrahlen. Kommerzielle Lasersysteme muss man dafür stabilisieren, beispielsweise mithilfe optischer Resonatoren. Sie setzen sich aus zwei hochreflektierenden Spiegeln zusammen, die durch einen Abstandshalter in fester Entfernung gehalten werden. In Analogie zu einer Orgelpfeife bestimmt die Resonatorlänge die Schwingungsfrequenz. 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 allerdings eher starke Bewegungen zeigt. Für den neuen Resonator hat die Forschergruppe einkristallines Silizium verwendet, ein besonders „steifes“ und deshalb rauscharmes Material. Silizium weist außerdem bei einer Temperatur von 124 K (–149 °C) eine verschwindend kleine Wärmeausdehnung aus; die niedrige Temperatur hilft zusätzlich, das thermische Rauschen zu reduzieren. Um den Resonator bei dieser Temperatur betreiben zu können, mussten die Forscher zunächst einen geeigneten schwingungsarmen Kryostaten entwickeln. Durch Vergleichsmessungen mit zwei Glasresonatoren konnten sie eine Frequenzstabilität von 1 · 10–16 für den auf den Silizium-Resonator stabilisierten Laser nachweisen, was einer Verdoppelung der Stabilität verglichen mit dem besten Laser weltweit entspricht.

Das „Pendel“ einer optischen Uhr, also das schwingende System, ist eine schmale optische Absorptionslinie in einem Atom oder Ion, deren Übergangsfrequenz von einem Laser ausgelesen wird. Die Linienbreite dieser Übergänge beträgt wenige Millihertz. Dieser Wert konnte von Glasresonatoren wegen deren begrenzter Längenstabilität nicht erreicht werden.

Der auf den Silizium-Resonator stabilisierte Laser erreicht eine Linienbreite von unter 40 mHz, wodurch deutlich schmalere atomare Linien ausgelesen werden können. Dies trägt dazu bei, die Stabilität und Genauigkeit von optischen Atomuhren zu verbessern – das Ziel ist jeweils eine Größenordnung. Und auch die optische Präzisionsspektroskopie, ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Exzellenzclusters QUEST, kann entscheidende Impulse bekommen.

Für die Zukunft gibt es noch Spielräume bei den optischen Spiegeln, deren thermisches Rauschen die erreichbare Stabilität begrenzt. Daher soll zukünftig bei tieferen Temperaturen dicht am absoluten Nullpunkt gearbeitet werden. Zudem sollen neuartige hochreflektierende Strukturen verwendet werden, um die Frequenzstabilität noch einmal um eine Größenordnung zu verbessern.

Wissenschaftliche Veröffentlichung:

Kessler, T.; Hagemann, C.; Grebing, C.; Legero, T.; Sterr, U.; Riehle, F.; Martin, M.J.; Chen, L.; Ye, J.: A sub-40-mHzlinewidth laser based on a silicon single-crystal optical cavity. Nature Photonics 6 (2012) 687–692