Rekord-Synchronisation im Laser-Netz

Laserpulse im Gleichtakt: Forscher ist es erstmals gelungen, ultrakurze Laserpulse über Kilometer hinweg extrem präzise zu synchronisieren. Optische Laser und Mikrowellengeneratoren feuerten dabei bis auf 950 Attosekunden genau – und das über 18 Stunden hinweg. Eine so exakter Gleichtakt ultraschneller Pulse könnte künftig ganz neue Einblicke in die Welt der Atome und Moleküle liefern, wie die Forscher erklären.

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Lasersignale bilden heute die Basis für Anwendungen von der Astronomie über die Fernerkundung bis hin zur Erforschung kleinster Strukturen und ultraschneller Reaktionen. Auch die fundamentale Wechselwirkung von Licht und Materie lässt sich mit Hilfe von Laserpulsen vermessen. Vor allem starke Röntgenlaser wie der gerade fertiggestellte European XFEL liefern ganz neue Einblicke in den Nanokosmos.

Das Timing muss stimmen

Doch solche Laseranwendungen benötigen nicht nur sehr kurze Laserpulse, das Timing der Lichtpulse muss auch extrem präzise sein. Um beispielsweise eine chemische Reaktion zu verfolgen, müssen die Abstände zwischen dem reaktionsauslösenden Puls und dem Aufnahmepuls genau bekannt sein. Hochpräzise Satellitennavigation und die Kopplung von Teleskopen in der Astronomie sind ebenfalls auf eine zeitliche Präzision von bis zu 40 Femtosekunden angewiesen.

Doch mehrere Laser so genau zu synchronisieren, ist nicht einfach – vor allem wenn die Anlagen enorm groß sind. „Anlagen wie Röntgenlaser oder Atto-Forschungszentren benötigen eine systemweite Synchronisierung von Dutzenden optischen und Mikrowellensignalen mit Attosekunden-Genauigkeit, oft über kilometerlange Distanzen“, erklärt Franz Kärtner vom Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg.

Zentraler Laser als Taktgeber

Kärtner und seine Kollegen haben nun erstmals ein solches Lasernetzwerk bis in den Attosekundenbereich hinein synchronisiert. Die Laserpulse des 4,7 Kilometer großen Testnetzwerks feuerten auf 950 Attosekunden genau – und das über 18 Stunden hinweg. Synchronisiert waren dabei nicht nur optische Laser, sondern auch Mikrowellen-Oszillatoren.

Schematischer Aufbau des für die Synchronisation genutzten Laser-Netzwerks © DESY/ Ming Xin

Der extreme Gleichtakt gelang mit Hilfe eines zentralen Taktgebers. Er besteht aus einem sogenannten modengekoppelten Laser, der extrem rauscharme Puls-Züge produzieren kann. Dieses Taktsignal leiteten die Forscher über speziell stabilisierte Glasfaserverbindungen zu zahlreichen Stationen im Netz. In diesen sorgten neue Techniken für nur minimales Rauschen und die gezielte Unterdrückung von Nichtlinearitäten, wie die Wissenschaftler berichten.

Neuer Rekord der zeitlichen Synchronisation

„Unseres Wissens nach ist es das erste Mal, dass eine Synchronisation mit einer besseren Genauigkeit als eine Femtosekunde zwischen räumlich entfernten modengekoppelten Lasern und Mikrowellenoszillatoren auf dem Maßstab einer kompletten Anlage für längere Zeit erreicht wurde“, konstatieren die Forscher.

Die so erreichte Präzision könnte Röntgenlasern der nächsten Generation und ähnlichen Forschungsanlagen ganz neue Möglichkeiten eröffnen. „Damit könnten viele Forschungsfelder revolutioniert werden – von der Strukturbiologie und Materialforschung über die Chemie bis zur Grundlagenphysik“, sagen Kärtner und seine Kollegen. Auch beim Vergleich ultrastabiler Atomuhren, in der Gravitationswellenastronomie oder der Zusammenschaltung optischer Teleskope ist dies ein hilfreicher Fortschritt. (Light: Science & Applications, 2017; doi: 10.1038/lsa.2016.187)

(Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, 16.01.2017 – NPO)