Ingen hade någonsin kommit så nära den ideala lasern tidigare:teoretiskt sett laserljus har bara en enda färg (även frekvens eller våglängd). I verkligheten, dock, det finns alltid en viss radbredd. Med en linjebredd på endast 10 mHz, lasern som forskarna från Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) nu har utvecklat tillsammans med amerikanska forskare från JILA, har satt ett nytt världsrekord. Denna precision är användbar för olika tillämpningar såsom optiska atomur, precisionsspektroskopi, radioastronomi och för att testa relativitetsteorin. Resultaten har publicerats i det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev .

Lasers ansågs en gång vara en lösning utan problem - men det är nu historia. Mer än 50 år har gått sedan den första tekniska realiseringen av lasern, och vi kan inte föreställa oss hur vi skulle kunna leva utan dem idag. Laserljus används i många applikationer inom industrin, medicin och informationsteknik. Lasrar har åstadkommit en verklig revolution inom många forskningsområden och inom metrologi - eller till och med gjort några nya områden möjliga i första hand.

En av laserns enastående egenskaper är den utmärkta sammanhanget hos det utsända ljuset. För forskare, detta är ett mått för ljusvågens regelbundna frekvens och linjebredd. Helst, laserljus har bara en fast våglängd (eller frekvens). I praktiken, spektrumet för de flesta typer av lasrar kan, dock, nå från några kHz till några MHz i bredd, vilket inte är tillräckligt bra för många experiment som kräver hög precision.

Forskning har därför fokuserat på att utveckla allt bättre lasrar med större frekvensstabilitet och en smalare linjebredd. Inom ramen för ett nästan tio år långt gemensamt projekt med de amerikanska kollegorna från JILA i Boulder, Colorado, en laser har nu utvecklats vid PTB vars linjebredd endast är 10 mHz (0,01 Hz), härmed ett nytt världsrekord. "Ju mindre laserbredd linjen har, desto mer exakt mätning av atomens frekvens i en optisk klocka. Denna nya laser gör det möjligt för oss att avgörande förbättra kvaliteten på våra klockor ", PTB -fysikern Thomas Legero förklarar.

Förutom den nya lasers extremt lilla linjebredd, Legero och hans kollegor fick med hjälp av mätningar reda på att det utsända laserljusets frekvens var mer exakt än vad som någonsin uppnåtts tidigare. Även om ljusvågen oscillerar ca. 200 biljoner gånger per sekund, det blir bara ur synk efter 11 sekunder. Då, det perfekta vågtåget som avges har redan nått en längd av ca. 3,3 miljoner kilometer. Denna längd motsvarar nästan tio gånger avståndet mellan jorden och månen.

Eftersom det inte fanns någon annan jämförbar exakt laser i världen, forskarna som arbetade med detta samarbete var tvungna att installera två sådana lasersystem direkt. Endast genom att jämföra dessa två lasrar var det möjligt att bevisa de enastående egenskaperna hos det utsända ljuset.

Kärnan i var och en av lasrarna är en 21 cm lång kiselresonator från Fabry-Pérot. Resonatorn består av två starkt reflekterande speglar som är placerade mittemot varandra och hålls på ett fast avstånd med hjälp av en dubbel kon. Liknar ett orgelpipa, resonatorlängden bestämmer frekvensen för den våg som börjar svänga, d.v.s. ljusvågen inuti resonatorn. Speciell stabiliseringselektronik säkerställer att laserns ljusfrekvens ständigt följer resonatorns naturliga frekvens. Laserens frekvensstabilitet - och därmed dess linjebredd - beror då endast på längdstabiliteten för Fabry -Pérot -resonatorn.

Forskarna vid PTB var tvungna att isolera resonatorn nästan perfekt från alla miljöpåverkan som kan förändra dess längd. Bland dessa påverkningar finns temperatur- och tryckvariationer, men även yttre mekaniska störningar på grund av seismiska vågor eller ljud. De har uppnått en sådan perfektion genom att göra så att det enda inflytandet som var kvar var atomernas termiska rörelse i resonatorn. Detta "termiska brus" motsvarar den bruna rörelsen i alla material vid en begränsad temperatur, och det representerar en grundläggande gräns för längdstabiliteten för ett fast ämne. Dess omfattning beror på de material som används för att bygga resonatorn såväl som på resonatorns temperatur.

Av denna anledning, forskarna i detta samarbete tillverkade resonatorn från enkristallkisel som kyldes till en temperatur på -150 ° C. Det termiska bruset från kiselkroppen är så lågt att de observerade längdfluktuationerna endast härrör från det termiska bruset från de dielektriska SiO2/Ta2O5 -spegelskikten. Även om spegelskikten bara är några mikrometer tjocka, de dominerar resonatorns längdstabilitet. Totalt, resonatorlängden, dock, fluktuerar bara inom intervallet 10 atometrar. Denna längd motsvarar högst en tio miljonedel av diametern på en väteatom. De resulterande frekvensvariationerna för lasern uppgår därför till mindre än 4 × 10-17 av laserfrekvensen.

De nya lasrarna används nu både vid PTB och på JILA i Boulder för att ytterligare förbättra kvaliteten på optiska atomur och för att utföra nya precisionsmätningar på ultrakylda atomer. På PTB, det ultrastabila ljuset från dessa lasrar distribueras redan via optiska vågledare och används sedan av de optiska klockorna i Braunschweig.

"I framtiden, det är planerat att sprida detta ljus även inom ett europeiskt nätverk. Denna plan skulle möjliggöra ännu mer exakta jämförelser mellan de optiska klockorna i Braunschweig och våra europeiska kollegors klockor i Paris och London ", Säger Legero. I Boulder, en liknande plan finns för distribution av lasern över ett fibernät som ansluter mellan JILA och olika NIST -laboratorier.

Forskarna från detta samarbete ser ytterligare optimeringsmöjligheter. Med nya kristallina spegelskikt och lägre temperaturer, det störande termiska bullret kan reduceras ytterligare. Linjebredden kan då till och med bli mindre än 1 mHz.