Den skarpeste laser i verden:Fysikere udvikler en laser med en linjebredde på kun 10 mHz

Ingen havde nogensinde været så tæt på den ideelle laser før:teoretisk set, laserlys har kun én enkelt farve (også frekvens eller bølgelængde). I virkeligheden, imidlertid, der er altid en vis linjebredde. Med en linjebredde på kun 10 mHz, laseren, som forskerne fra Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) nu har udviklet sammen med amerikanske forskere fra JILA, har etableret en ny verdensrekord. Denne præcision er nyttig til forskellige applikationer såsom optiske atomure, præcisionsspektroskopi, radioastronomi og til afprøvning af relativitetsteorien. Resultaterne er offentliggjort i det aktuelle nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Lasere blev engang anset som en løsning uden problemer - men det er nu historie. Mere end 50 år er gået siden den første tekniske realisering af laseren, og vi kan ikke forestille os, hvordan vi kunne leve uden dem i dag. Laserlys bruges i adskillige applikationer i industrien, medicin og informationsteknologi. Lasere har medført en reel revolution inden for mange forskningsfelter og i metrologi - eller har endda gjort nogle nye områder mulige i første omgang.

En af en lasers fremragende egenskaber er den fremragende sammenhæng mellem det udsendte lys. For forskere, dette er et mål for lysbølgens regelmæssige frekvens og linjebredde. Ideelt set laserlys har kun én fast bølgelængde (eller frekvens). I praksis, spektret af de fleste typer lasere kan, imidlertid, nå fra et par kHz til et par MHz i bredden, hvilket ikke er godt nok til adskillige eksperimenter, der kræver høj præcision.

Forskningen har derfor fokuseret på at udvikle stadig bedre lasere med større frekvensstabilitet og en smallere linjebredde. Inden for rammerne af et næsten 10 år langt fælles projekt med de amerikanske kolleger fra JILA i Boulder, Colorado, der er nu udviklet en laser ved PTB, hvis linjebredde kun er 10 mHz (0,01 Hz), hermed etablere en ny verdensrekord. "Jo mindre linjebredden er på laseren, jo mere nøjagtig er måling af atomets frekvens i et optisk ur. Denne nye laser vil gøre os i stand til afgørende at forbedre kvaliteten af ​​vores ure", PTB-fysiker Thomas Legero forklarer.

Ud over den nye lasers ekstremt lille linjebredde, Legero og hans kolleger fandt ved hjælp af målinger ud af, at frekvensen af ​​det udsendte laserlys var mere præcis, end hvad der nogensinde var blevet opnået før. Selvom lysbølgen svinger ca. 200 billioner gange i sekundet, det bliver først ude af sync efter 11 sekunder. Inden da det perfekte bølgetog, der udsendes, har allerede nået en længde på ca. 3,3 millioner kilometer. Denne længde svarer til næsten ti gange afstanden mellem Jorden og månen.

Da der ikke var nogen anden sammenlignelig præcis laser i verden, forskerne, der arbejdede på dette samarbejde, måtte opsætte to sådanne lasersystemer direkte. Kun ved at sammenligne disse to lasere var det muligt at bevise de fremragende egenskaber af det udsendte lys.

Kernen i hver af laserne er en 21 cm lang Fabry-Pérot siliciumresonator. Resonatoren består af to stærkt reflekterende spejle, som er placeret over for hinanden og holdes på fast afstand ved hjælp af en dobbeltkegle. Svarende til en orgelpibe, resonatorlængden bestemmer frekvensen af ​​bølgen, der begynder at oscillere, dvs. lysbølgen inde i resonatoren. Særlig stabiliseringselektronik sikrer, at laserens lysfrekvens konstant følger resonatorens egenfrekvens. Laserens frekvensstabilitet - og dermed dens linjebredde - afhænger så kun af Fabry-Pérot-resonatorens længdestabilitet.

Forskerne ved PTB var nødt til at isolere resonatoren næsten perfekt fra alle miljøpåvirkninger, som kunne ændre dens længde. Blandt disse påvirkninger er temperatur- og trykvariationer, men også eksterne mekaniske forstyrrelser på grund af seismiske bølger eller lyd. De har opnået en sådan perfektion ved at gøre det, at den eneste indflydelse, der var tilbage, var den termiske bevægelse af atomerne i resonatoren. Denne "termiske støj" svarer til den Brownske bevægelse i alle materialer ved en endelig temperatur, og det repræsenterer en grundlæggende grænse for længdestabiliteten af ​​et fast stof. Dens udstrækning afhænger af de materialer, der bruges til at bygge resonatoren samt af resonatorens temperatur.

Af denne grund, videnskabsmændene i dette samarbejde fremstillede resonatoren af ​​enkeltkrystal silicium, som blev kølet ned til en temperatur på -150 °C. Siliciumlegemets termiske støj er så lav, at de observerede længdesvingninger kun stammer fra den termiske støj fra de dielektriske SiO2/Ta2O5 spejllag. Selvom spejllagene kun er nogle få mikrometer tykke, de dominerer resonatorens længdestabilitet. I alt, resonatorlængden, imidlertid, svinger kun i området 10 attometer. Denne længde svarer ikke til mere end en ti-milliontedel af diameteren af ​​et brintatom. De resulterende frekvensvariationer af laseren udgør derfor mindre end 4 × 10-17 af laserfrekvensen.

De nye lasere bliver nu brugt både hos PTB og på JILA i Boulder til yderligere at forbedre kvaliteten af ​​optiske atomure og til at udføre nye præcisionsmålinger på ultrakolde atomer. Hos PTB, det ultrastabile lys fra disse lasere distribueres allerede via optiske bølgeledere og bruges derefter af de optiske ure i Braunschweig.

"I fremtiden, det planlægges også at udbrede dette lys inden for et europæisk netværk. Denne plan ville tillade endnu mere præcise sammenligninger mellem de optiske ure i Braunschweig og ure fra vores europæiske kolleger i Paris og London", siger Legero. I Boulder, en lignende plan er på plads for at distribuere laseren over et fibernetværk, der forbinder JILA og forskellige NIST-laboratorier.

Forskerne fra dette samarbejde ser yderligere optimeringsmuligheder. Med nye krystallinske spejllag og lavere temperaturer, den forstyrrende termiske støj kan reduceres yderligere. Linjebredden kunne så endda blive mindre end 1 mHz.