Ultrastabiler Quantenkaskadenlaser

Ein extrem stabiler und präziser Laser für das mittlere Infrarot (MIR), der über einen großen Frequenz­bereich durch­stimmbar ist, wurde jetzt von franzö­sischen Forschern entwickelt. Er eröffnet für Präzisions­messungen in der Molekül­physik weitreichende Möglich­keiten.

An Molekülen, die im Gegensatz zu Atomen ein permanentes elektrisches Dipol­moment besitzen können, lässt sich die Gültigkeit von funda­mentalen physika­lischen Symmetrien mit uner­reichter Genauigkeit testen. Davon verspricht man sich Einblicke in eine „neue“ Physik jenseits des Standard­modells. Neue Methoden, mit denen man Moleküle festhalten und auf ultratiefe Tempera­turen kühlen kann, schaffen dafür wichtige Voraus­setzungen.

Für solche Tests muss man mit möglichst hoher Präzision die Anregungs­frequenzen der Moleküle messen, die vor allem auf Rotations-Schwingungs­übergängen beruhen und im Bereich des MIR zwischen 3 und 25 µm Wellenlänge liegen. Quanten­kaskaden­lasern decken diesen Bereich zwar gut ab, ihren Frequenzen fehlten aber bisher die nötige Stabilität und Genauigkeit. Dieses Problem haben Forscher um Anne Amy-Klein von der Université Paris 13 zusammen mit Wissen­schaftlern des metro­logischen Instituts LNE-SYRTE gelöst.

Der verwendete Quanten­kaskaden­laser war ein kommerzielles Modell, dessen Frequenz durch Änderung der Temperatur und des Anregungsstroms über einen Bereich von 60 nm oder 180 GHz variiert werden konnte. In einem Quantenkaskadenlaser werden Elektronen in eine Halbleiterschichtstruktur injiziert, in der sie eine abgestimmte Stufenleiter oder Kaskade von Inter­subband­übergängen durchlaufen, wobei MIR-Strahlung der gewünschten Frequenz entsteht, welche allerdings stark schwankt und eine Linienbreite von einigen 10 bis 1000 kHz hat.

Durch ein ausgeklügeltes Verfahren haben die Forscher den Quanten­kaskaden­laser auf eine relative Stabilität und Präzision von 2×10^-15 bzw. 10^-14 gebracht. Verglichen mit dem bisherigen Rekord für diese Laser ist das eine Verbesserung um mehr als das Dreißig­fache, verglichen mit anderen MIR-Lasern immerhin um den Faktor zehn. Schon vor zwei Jahren hatten sie mit diesem Verfahren einen CO₂-Laser stabilisiert, den der Quanten­kaskaden­laser in Hinblick auf den abstimmbaren Frequenz­bereich jedoch tausendfach übertrifft.

Zur Stabilisierung des Quantenkaskadenlasers wurde ein Frequenzstandard benutzt, der durch die Strahlung eines extrem stabilen Lasers im nahen Infrarot (NIR) gegeben war, die über eine 43 km lange Glasfaser vom LNE-SYRTE zum Laserlabor der Forscher geleitet wurde. Wie Experimente andernorts gezeigt hatten, lassen sich solche Referenzfrequenzen ohne große Stabilitätseinbußen über einige 100 km durch Glasfasern übertragen.

Mit Hilfe des NIR-Frequenzstandards stabilisierten die Forscher zunächst einen Frequenzkamm um 155 µm Wellenlänge, indem sie einen seiner Zähne durch Phasenregelung auf die NIR-Frequenz abstimmten. Einen Teil dieses Frequenzkamms leiteten sie in eine optisch nichtlineare Glasfaser und erzeugten so einen zusätzlichen Frequenzkamm um 182 µm.

Die Strahlung des Quantenkaskadenlasers, der bei 10,3 µm emittierte, wurde mit dem 182 µm-Frequenzkamm in einem AgGeSe₂-Kristall überlagert. Dabei entstand durch Summen­frequenz­erzeugung ein Frequenzkamm um 155 µm, der mit dem ursprünglichen 155 µm-Frequenzkamm überlagert wurde. Eine Photodiode nahm das Überlagerungssignal der beiden Frequenzkämme auf und lieferte die Schwebungsfrequenz. Diese ging in einen Phasenregelkreis ein, mit dem schließlich die Frequenz des Quantenkaskadenlasers abgestimmt wurde.

Der Erfolg dieses Verfahrens ist bemerkenswert. So verringerten sich die relativen Frequenz­schwankungen des Quanten­kaskaden­lasers durch die Stabilisierung um den Faktor 10^-12. Die Linienbreite seiner Strahlung lag bei nur 0,2 Hz – ein Rekord für diesen Lasertyp. Nach einer Mittelungszeit von 100 s war die Frequenz mit einer relativen Unsicherheit von 10^-14 bekannt. Die Forscher glauben, dass sich durch eine längere Mittelung die Frequenz­unsicher­heit des am LNE-SYRTE benutzten Cs-Frequenzstandards, die bei 3×10^-16 liegt, auf den NIR-Standard und damit auch auf die Frequenz des Quantenkaskadenlasers übertragen lässt.

Doch schon jetzt kann der Quantenkaskadenlaser Molekülfrequenzen mit unübertroffener Genauigkeit messen. So wurde der Laser­strahl durch einen mit OsO₄ gefüllten Fabry-Perot-Resonator geschickt und seine Absorption gemessen, wobei die Laser­frequenz über den erwähnten Phasenregelkreis ohne Stabilitäts­einbußen variiert werden konnte. Schon bekannte Linien­frequenzen ließen sich genauer ermitteln als bisher. Zudem wurden dank des großen Frequenz­bereichs des Lasers neue Linien gefunden. Anne Amy-Klein und ihre Kollegen wollen mit ihren extrem stabilen Laser unter anderem untersuchen, ob sich Schwingungs­frequenzen rechts- und links­händiger Moleküle voneinander unterscheiden.

Rainer Scharf

OD