Nog nooit was iemand zo dicht bij de ideale laser gekomen:theoretisch, laserlicht heeft maar één kleur (ook frequentie of golflengte). In werkelijkheid, echter, er is altijd een bepaalde lijnbreedte. Met een lijnbreedte van slechts 10 mHz, de laser die de onderzoekers van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) nu samen met Amerikaanse onderzoekers van JILA hebben ontwikkeld, heeft een nieuw wereldrecord gevestigd. Deze precisie is nuttig voor verschillende toepassingen zoals optische atoomklokken, precisie spectroscopie, radioastronomie en voor het testen van de relativiteitstheorie. De resultaten zijn gepubliceerd in het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Lasers werden ooit als een probleemloze oplossing beschouwd - maar dat is nu geschiedenis. Meer dan 50 jaar zijn verstreken sinds de eerste technische realisatie van de laser, en we kunnen ons niet voorstellen hoe we vandaag zonder hen zouden kunnen leven. Laserlicht wordt gebruikt in tal van toepassingen in de industrie, geneeskunde en informatietechnologieën. Lasers hebben een ware revolutie teweeggebracht op veel onderzoeksgebieden en in de metrologie - of hebben zelfs een aantal nieuwe gebieden mogelijk gemaakt.

Een van de uitstekende eigenschappen van een laser is de uitstekende coherentie van het uitgestraalde licht. Voor onderzoekers, dit is een maat voor de regelmatige frequentie en lijnbreedte van de lichtgolf. Ideaal, laserlicht heeft maar één vaste golflengte (of frequentie). In praktijk, het spectrum van de meeste soorten lasers kan, echter, bereik van enkele kHz tot enkele MHz breed, wat niet goed genoeg is voor tal van experimenten die hoge precisie vereisen.

Het onderzoek heeft zich daarom gericht op het ontwikkelen van steeds betere lasers met een grotere frequentiestabiliteit en een smallere lijnbreedte. In het kader van een bijna 10 jaar durend gezamenlijk project met de Amerikaanse collega's van JILA in Boulder, Colorado, bij PTB is inmiddels een laser ontwikkeld waarvan de lijnbreedte slechts 10 mHz (0,01 Hz) is, hiermee een nieuw wereldrecord gevestigd. "Hoe kleiner de lijnbreedte van de laser, hoe nauwkeuriger de meting van de frequentie van het atoom in een optische klok. Met deze nieuwe laser kunnen we de kwaliteit van onze klokken drastisch verbeteren", PTB-natuurkundige Thomas Legero legt uit.

Naast de extreem kleine lijnbreedte van de nieuwe laser, Legero en zijn collega's kwamen er door middel van metingen achter dat de frequentie van het uitgezonden laserlicht nauwkeuriger was dan ooit tevoren. Hoewel de lichtgolf ca. 200 biljoen keer per seconde, het loopt pas na 11 seconden uit sync. Dan, de uitgezonden perfecte golftrein heeft al een lengte van ca. 3,3 miljoen kilometer. Deze lengte komt overeen met bijna tien keer de afstand tussen de aarde en de maan.

Aangezien er geen andere vergelijkbaar nauwkeurige laser ter wereld was, de wetenschappers die aan deze samenwerking werkten, moesten meteen twee van dergelijke lasersystemen opzetten. Alleen door deze twee lasers te vergelijken was het mogelijk om de uitstekende eigenschappen van het uitgestraalde licht te bewijzen.

Het kernstuk van elk van de lasers is een 21 cm lange Fabry-Pérot siliciumresonator. De resonator bestaat uit twee sterk reflecterende spiegels die tegenover elkaar zijn geplaatst en door middel van een dubbele kegel op een vaste afstand worden gehouden. Net als bij een orgelpijp, de resonatorlengte bepaalt de frequentie van de golf die begint te oscilleren, d.w.z., de lichtgolf in de resonator. Speciale stabilisatie-elektronica zorgt ervoor dat de lichtfrequentie van de laser constant de eigenfrequentie van de resonator volgt. De frequentiestabiliteit van de laser - en dus de lijnbreedte - hangt dan alleen af ​​van de lengtestabiliteit van de Fabry-Pérot-resonator.

De wetenschappers van PTB moesten de resonator bijna perfect isoleren van alle omgevingsinvloeden die de lengte zouden kunnen veranderen. Tot deze invloeden behoren temperatuur- en drukvariaties, maar ook externe mechanische verstoringen als gevolg van seismische golven of geluid. Ze hebben zo'n perfectie bereikt dat de enige overgebleven invloed de thermische beweging van de atomen in de resonator was. Deze "thermische ruis" komt overeen met de Brownse beweging in alle materialen bij een eindige temperatuur, en het vertegenwoordigt een fundamentele grens aan de lengtestabiliteit van een vaste stof. De omvang ervan hangt af van de materialen die zijn gebruikt om de resonator te bouwen en van de temperatuur van de resonator.

Om deze reden, de wetenschappers van deze samenwerking maakten de resonator van monokristallijn silicium dat werd afgekoeld tot een temperatuur van -150 °C. De thermische ruis van het siliciumlichaam is zo laag dat de waargenomen lengtefluctuaties alleen afkomstig zijn van de thermische ruis van de diëlektrische SiO2/Ta2O5-spiegellagen. Hoewel de spiegellagen slechts enkele micrometers dik zijn, ze domineren de lengtestabiliteit van de resonator. In totaal, de resonatorlengte, echter, schommelt slechts in het bereik van 10 attometers. Deze lengte komt overeen met niet meer dan een tienmiljoenste van de diameter van een waterstofatoom. De resulterende frequentievariaties van de laser bedragen dus minder dan 4 × 10-17 van de laserfrequentie.

De nieuwe lasers worden nu zowel bij PTB als bij JILA in Boulder gebruikt om de kwaliteit van optische atoomklokken verder te verbeteren en om nieuwe precisiemetingen uit te voeren aan ultrakoude atomen. Bij PTB, het ultrastabiele licht van deze lasers wordt al gedistribueerd via optische golfgeleiders en wordt vervolgens gebruikt door de optische klokken in Braunschweig.

"In de toekomst, het is de bedoeling dit licht ook binnen een Europees netwerk te verspreiden. Dit plan zou een nog nauwkeurigere vergelijking mogelijk maken tussen de optische klokken in Braunschweig en de klokken van onze Europese collega's in Parijs en Londen", zegt Legero. in Boulder, er is een soortgelijk plan om de laser te distribueren over een glasvezelnetwerk dat verbinding maakt tussen JILA en verschillende NIST-labs.

De wetenschappers uit deze samenwerking zien verdere optimalisatiemogelijkheden. Met nieuwe kristallijne spiegellagen en lagere temperaturen, de storende thermische ruis kan verder worden verminderd. De lijnbreedte kan dan zelfs kleiner worden dan 1 mHz.