Aktiv zur Stabilität
Aktuelle Erfolge und neue Technik für die Laserstabilisierung
Aktive Laserstabilisierung ist aus vielen Bereichen der modernen Physik nicht mehr wegzudenken. Freilaufend besitzen Laser auf kurzen Zeitskalen (µs bis ms) häufig Linienbreiten im Bereich von 0,1 MHz bis 1 GHz, während langsamere Driften der Laserfrequenz im Bereich von GHz und höher liegen können. Für viele Anwendungen reicht diese passive Stabilität nicht aus, und die Laser müssen aktiv in der Frequenz stabilisiert werden.
In der Atomphysik beispielsweise benötigt jede Laserkühlung, jede magneto-optische Falle (MOT) und jedes Bose-Einstein-Kondensat (BEC) frequenzstabilisierte Laser mit Linienbreiten von etwa 0,1 bis 1 MHz, um mit hoher Präzision atomare Übergänge resonant anzuregen. Die Anforderungen an die Laserstabilität steigen weiter, wenn es darum geht, Atome oder Ionen selektiv oder gar kohärent zu manipulieren, etwa für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie. Für Experimente in der Cavity-QED und um Laserfrequenzen effizient resonant zu verdoppeln, müssen Vielfache der Laserwellenlänge mit der Länge der Resonatoren genau übereinstimmen (Abb. 1). Durch eine geeignete Stabilisierung können Linienbreiten von Lasern drastisch reduziert werden, um z. B. in der Spektroskopie höhere Auflösungen zu erreichen und um neue Frequenzstandards zu schaffen.
Für eine resonante Verdopplung der Frequenz muss der Überhöhungsresonator auf den Diodenlaser stabilisiert werden.
Mittlerweile lassen sich mit stabilisierten Diodenlasern Linienbreiten bis unter 1 Hz erreichen. Derzeit laufen zahlreiche Projekte, in denen z. B. auf extrem schmale atomare Übergänge oder Resonatoren stabilisierte Uhrenlaser ins All geschossen werden sollen. Diese dienen als Referenz für immer genauere GPS-Dienste oder zur Detektion von Gravitationswellen. Mit kommerziell erhältlichen Dioden-Lasern, atomaren Referenzen und Elektroniken werden relativ einfach absolute Frequenzstabilitäten von 10–12 erreicht.
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Rudolf Neuhaus
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