Der schärfste Laserstrahl der Welt

Neuer Weltrekord: Forscher ist es gelungen, den Laser mit der präzisesten Wellenlänge und größten Takttreue zu konstruieren. Das von ihm ausgestrahlte Licht hat eine Linienbreite von nur zehn Millihertz – die Schwingungsfrequenz der Lichtwellen ist damit extrem einheitlich. Gleichzeitig bleibt der Laser länger im Takt als alle anderen Modelle. Nützlich ist dies unter anderem für ultragenaue Atomuhren, aber auch für die Astronomie oder Tests der Relativitätstheorie.

Laser sind aus unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Vom Kassenscanner im Supermarkt über die Vermessung, optische Datenübertragung und Nanotechnologie bis hin zur Fahndung nach Gravitationswellen – Anwendungen für Laserlicht gibt es unzählige. Einer der wichtigsten Vorteile des Lasers ist sein kohärentes Licht: Es schwingt jeweils nur in einem sehr engen Ausschnitt des Wellenspektrums – im Idealfall nur in einer einzigen, klar definierten Wellenlänge.

In der Praxis jedoch ist das Spektrum der meisten Lasertypen einige Kilohertz bis Megahertz breit. Für viele Präzisionsexperimente ist das nicht gut genug. Daher wird intensiv an immer besseren Lasern mit höherer Frequenzstabilität und kleinerer Linienbreite geforscht.

Takttreu und extrem präzise

Ein solcher „Superlaser“ ist nun Thomas Legero von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) und seinen Kollegen gelungen. Sie haben einen Laser entwickelt und konstruiert, dessen Frequenz eine Linienbreite von nur noch 10 Millihertz besitzt – das ist ein neuer Weltrekord. Das Licht dieses Lasers weicht damit erheblich weniger von der einen, idealen Wellenlänge ab als bisherige Modelle.

Und noch einen Rekord bricht der neue Laser: Er ist besonders takttreu. Obwohl die Lichtwelle knapp 200 Billionen Mal pro Sekunde schwingt, gerät sie erst nach etwa 11 Sekunden aus dem Takt. Der ausgestrahlte perfekte Wellenzug hat dann schon eine Länge von etwa 3,3 Millionen Kilometern erreicht. Das entspricht fast dem Zehnfachen der Entfernung Erde – Mond.

Erst dieser neu entwickelte Siliziumresonator ermöglichte den neuen Laser. © PTB

Minimale Störeinflüsse und Schwankungen

Möglich wurde dies durch einen speziellen Resonator, den verspiegelten Teil des Lasers, in dem der Lichtstrahl entsteht. Zum einen ist dieser Resonator nahezu perfekt vor allen Störeinflüssen der Umwelt isoliert. Eine spezielle Stabilisierungselektronik sorgt dafür, dass Temperatur- und Druckschwankungen, aber auch äußere Erschütterungen durch Seismik oder Schall abgefangen und ausgeglichen werden.

Zum anderen besteht der Resonator aus einem Silizium-Einkristall, der auf eine Temperatur von minus 150 Grad Celsius abgekühlt wird. Das sorgt dafür, dass auch das thermische Rauschen – die Eigenbewegung der Atome – nur noch minimal ist. Insgesamt schwankt die Resonatorlänge dadurch nur noch im Bereich von zehn Attometern. Diese Länge entspricht gerade einmal dem Zehnmillionstel Teil der Größe eines Wasserstoffatoms.

Einsatz in Atomuhren

Nützlich ist der neue Laser für diverse Anwendungen: Mit ihm können Präzisionsspektroskopie, Radioastronomie und Tests der Relativitätstheorie präziser durchgeführt werden als bisher. Aber auch Atomuhren könnten künftig genauer werden. „Je kleiner die Linienbreite des verwendeten Lasers ist, desto genauer lässt sich die Frequenz der Atome in einer optischen Atomuhr ermitteln“, erklärt Legero. „Mit dem neuen Laser können wir die Qualität unserer Uhren daher entscheidend verbessern.“

Die neuen Laser werden bereits in der PTB in Braunschweig und beim Joint Institute for Laboratory Astrophysics in Boulder verwendet, um die Qualität von optischen Atomuhren weiter zu verbessern und neue Präzisionsmessungen an ultrakalten Atomen durchzuführen. „Künftig soll das Licht auch innerhalb eines europäischen Netzwerks verteilt werden. Damit werden noch präzisiere Vergleiche zwischen den optischen Uhren in Braunschweig und den Uhren unserer europäischen Kollegen in Paris und London möglich sein“, sagt Legero.

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 werden. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.118.263202)

(Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 30.06.2017 – NPO)