Ultrastabiles Laserlicht per Glasfaser verschickt

Zwischen Deutschland, England und Frankreich existiert eine Art Autobahn für optische Frequenzen. Das Glas­faser­netz dient bisher zum Vergleich von Frequenzen zwischen Metrologie­instituten, etwa aus optischen Atomuhren. Jetzt hat ein inter­nationales Forscherteam gezeigt, wie ultra­stabile Laser­frequenzen aus den Metrologie­instituten per Glasfaser anderen Anwendern zugänglich gemacht werden können. Die Wissen­schaftler beweisen damit, dass die extrem hohe Frequenz­stabilität der einge­setzten ultra­stabilen Laser auch bei der langen Reise zwischen ihren Instituten fast verlustfrei übertragen werden kann. Das bestärkt die Hoffnungen, die auf dieser Art von Frequenz­transfer liegen.

Das Glasfasernetz ist gespickt mit Hightech-Einrichtungen, die dafür sorgen, dass selbst die Anforderungen der weltweit besten Frequenz-Forscher erfüllt werden. Das Tausende von Kilometern lange Netz wird in einer inter­nationalen Forschungs­kooperation betrieben. Aufgebaut wurde das Glas­faser­netz speziell zum Vergleich optischer Atomuhren, der nächsten Generation von Atomuhren, die jetzt schon genauer sind als Cäsium-Atomuhren. Damit ermöglichen sie noch genauere Zeitmessung, noch genauere Test von Fundamental­konstanten und ganz neue Anwendungen etwa in der Geodäsie. So kann man mit zwei solcher Uhren die gravitations­bedingt unter­schiedlich verlaufende Zeit zwischen zwei verschieden hohen Orten messen, wie in der Einstein’schen Allgemeinen Relativitäts­theorie beschrieben – Atomuhren als Höhenmesser.

So entscheidend, wie der Quarz-Oszillator in einer konventio­nellen Uhr ist in einer optischen Atomuhr ein ultra­stabiler Laser. Die besten ultra­stabilen Laser, wie sie in dieser Studie verwendet wurden, erreichen eine Frequenz­instabilität 6 × 10^–17. Das wird mithilfe eines optischen Referenz­resonators erreicht, dessen Frequenz­stabilität vom Abstand der Spiegel bestimmt wird. Das Team hat nun demonstriert, dass diese hohe Präzision auch beim Transport in weit entfernte Orte aufrecht­erhalten werden kann.

Das bestätigt nicht nur, dass Netzwerke aus optischen Glasfasern für Vergleiche optischer Atomuhren geeignet sind, sondern eröffnet auch den sehr viel breiteren, effizienteren Einsatz dieser „Forschungs­infra­struktur der Spitzenklasse“. Was bisher nur an einigen wenigen nationalen Metrologie­instituten möglich war, könnte nun einer viel größeren Forscher-Community nützen – in Universitäten, anderen öffentlichen Forschungs­institutionen oder in der Industrie.

PTB / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Schioppo et al.: Comparing ultrastable lasers at 7 × 10⁻¹⁷ fractional frequency instability through a 2220 km optical fibre network, Nat. Commun. 13, 212 (2022); DOI: 10.1038/s41467-021-27884-3
• AG Frequenzübertragung mit Glasfasern, Abt. Optik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig