Der schärfste Laserstrahl der Welt

In der Theorie hat ein Laser genau eine Frequenz. In der Wirk­lich­keit gibt es jedoch immer eine endliche Linien­breite. Der Laser, den Forscher der PTB jetzt zusammen mit Kollegen aus den USA ent­wickelt haben, stellt mit einer Linien­breite von nur zehn Milli­hertz einen neuen Welt­rekord auf. Diese Präzi­sion ist nütz­lich für diverse Anwen­dungen: etwa optische Atom­uhren, Präzi­sions­spektro­skopie, Radio­astro­nomie und Tests der Rela­tivi­täts­theorie.

Eine der herausragenden Eigenschaften des Lasers ist die große Kohärenz des ausge­strahlten Lichts. In der Praxis ist das Spektrum der meisten Laser­typen 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. „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 Thomas Legero von der PTB.

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. 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 Lichts 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 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. Das ist so gut gelungen, dass schließ­lich nur noch die ther­mische Bewegung der Atome im Reso­nator übrigblieb. Dieses ther­mische Rauschen stellt eine funda­mentale Grenze der Längen­stabi­lität eines Körpers dar. Ihre Größe wird durch die verwen­deten Reso­nator­materi­alien und die Tempe­ratur des Reso­nators bestimmt.

Deshalb haben die Forscher den Resonator aus einem Silizium-Ein­kristall gefertigt, der auf eine Tempe­ratur von -150 Grad Celsius abge­kühlt wird. Das ther­mische Rauschen des Silizium­körpers ist so gering, dass die beob­ach­teten Längen­fluktu­ationen nur noch von dem ther­mischen Rauschen der dielek­trischen Spiegel­schichten 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 zehn Atto­metern. 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 präzi­sere 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 ein Millihertz sein.

PTB / RK