Laserstrahlen sind im Vakuum unsichtbar, weil es dort keine Materieteilchen gibt, die das Licht streuen könnten. Doch jetzt haben Physiker eine Methode entwickelt, die die Position von Laserstrahlen auch im Vakuum präzise abbilden kann – bis auf wenige Mikrometer genau. Wichtig ist dies vor allem für die Justierung optischer Fallen, die für Atomuhren, Quantencomputer und andere quantenphysikalische Messungen benötigt werden.
Einen Lichtstrahl kann man nur dann sehen, wenn er auf Materieteilchen trifft und von ihnen gestreut oder reflektiert wird. Im Vakuum ist er dagegen unsichtbar – deshalb erscheint das Weltall dunkel, obwohl es eigentlich von Licht erfüllt ist. Gleiches gilt für Laserstrahlen in Vakuumkammern, wie sie beispielsweise als optische Fallen in bestimmten Atomuhren, in Quantensimulatoren oder anderen quantenphysikalischen Experimenten eingesetzt werden.
„Blinde“ Justierung optischer Fallen
Das Problem: Damit einzelne Atome in solchen optischen Fallen aus überkreuzten Laserstrahlen fixiert werden können, muss die Position der Laserstrahlen mikrometergenau stimmen. „Es ist in etwa so, als müssten Sie von den Rängen eines Fußballstadions mit einem Laserpointer eine Bohne treffen, die auf dem Anstoßpunkt liegt“, erklärt Seniorautor Andrea Alberti von der Universität Bonn. „Damit nicht genug müssen Sie das sogar mit verbundenen Augen schaffen.“
Bisher konnten Wissenschaftler die Positionen der Laserstrahlen in solchen Arrangements nur über indirekte Methoden ermitteln – durch spektroskopische Untersuchungen oder Abbildungen der Atomdichte in der Vakuumkammer. „Um einzelne Strahlen in Anordnungen aus mehreren sich überkreuzenden Laserstrahlen zu vermessen, sind diese Methoden aber nicht geeignet“, erklären Alberti, Erstautor Gautam Ramola und ihre Kollegen. Zudem ist die Justierung mit solchen indirekten Verfahren sehr zeitaufwendig.
Lasergitter, Atomwolke und eine Vakuumkammer
Deshalb haben die Physiker jetzt eine Alternative entwickelt. Bei dieser nutzen sie die sogenannte Ramsay-Interferometrie, um die Position einzelner Laserstrahlen abzubilden. „Dazu haben wir das Laserlicht zunächst auf charakteristische Weise verändert – wir sprechen auch von einer elliptischen Polarisation“, erklärt Alberti. Im nächsten Schritt werden mehrere solcher Laserstrahlen in einer Vakuumkammer überkreuzt, um eine optische Falle zu schaffen.
In diese optische Falle wird nun eine ultrakalte Atomwolke aus mehreren tausend Cäsium-Atomen gegeben. Die Atome ordnen sich so an, dass sie einzeln in den vom Laserkäfig gebildeten Potenzialtöpfen liegen. „Für die Ramsay-Interferometrie schalten wir nun abrupt alle Fallenlaser bis auf den zu messenden Strahl ab und nutzen Mikrowellenpulse, um die Atome vom Quantenzustand a nach b zu bringen“, beschreibt das Team. Alle Atome im b-Zustand werden nun durch einen weiteren Strahlenpuls ausgespült.
Fluoreszierende Atome verraten Lage des Laserstrahls
Jetzt folgt der für die Abbildung entscheidende Schritt: Mit einer CCD-Kamera wird ein hochaufgelöstes Fluoreszenzbild der verbleibenden Atome aufgenommen. Weil ihre Fluoreszenz durch die elliptische Polarisation des Laserstrahls beeinflusst wird, lässt sich an den Merkmalen des von ihnen ausgesendeten Lichts unterscheiden, welche dieser Atome direkt in der Bahn des Lasers liegen und welche nicht.
„Jedes Atom wirkt wie ein kleiner Sensor, der die Intensität des Strahls aufzeichnet“, erklärt Alberti. „Indem wir Tausende von Atomen an verschiedenen Stellen untersuchen, können wir die Lage des Strahls auf wenige Tausendstel Millimeter genau bestimmen.“ Bei ihren Testmessungen konnte das Team beispielsweise so ermitteln, dass einer der vier Laserstrahlen im Gitter um 16 Mikrometer vom Kreuzungspunkt der anderen drei versetzt war.
Große Zeitersparnis für Quanten-Anwendungen
Nach Ansicht von Ramola und seinen Kollegen eröffnet die Ramsay-Interferometrie damit eine neue Möglichkeit, die Position von Laserstrahlen im Vakuum mikrometergenau abzubilden. Dadurch können optische Fallen künftig schneller und präziser justiert werden als bisher. „Normalerweise würde eine solche Justierung mehrere Wochen in Anspruch nehmen und man hätte trotzdem keine Gewähr, dass der optimale Punkt erreicht wurde“, sagt Alberti. „Mit unserem Verfahren benötigten wir dafür nur etwa einen Tag.“ (Physical Review Applied, 2021; doi: 10.1103/PhysRevApplied.16.024041)
Quelle: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
