Ein Kamm aus Licht

Forscherteam aus Colorado und Konstanz erzeugt Frequenzkamm mit größerem Zinkenabstand als je zuvor. Astronomische Untersuchungen können damit um ein Hundertfaches empfindlicher werden.

Die Zinken des Frequenzkamms sind mit bloßem Auge erkennbar.
Die Zinken des Frequenzkamms sind mit bloßem Auge erkennbar.

Konstanz/Boulder (USA) - Seit im Jahr 2005 der Münchner Theodor Hänsch und sein amerikanischer Kollege John Hall den Nobelpreis für Physik für die Entwicklung der Frequenzkammtechnologie erhalten haben, ist diese Messmethode aus Anwendungen, die Zeitmessungen höchster Präzision bedürfen nicht mehr weguzudenken. Frequenzkämme können nämlich, als „Lineale aus Licht“, zur genauen Vermessung der Frequenz der Strahlung von Lasern, Atomen, Sternen und anderen Objekten benutzt werden. Ihre „Zinken“ bestehen aus regelmäßig angeordneten Spektrallinien von Licht verschiedener Frequenz. Dieses Licht wird in Form von kurzen Laserpulsen erzeugt.

Einem dreiköpfigen amerikanisch-deutschen Forscherteam ist es nun gelungen, Frequenzkämme mit 50.000 Zinken und einem Abstand von 10 GHz (10 Gigahertz = 10 Milliarden Hertz) zu erzeugen. Das ermöglicht erstmals eine für das menschliche Auge sichtbare Darstellung der Kammstruktur. Nötig sind nur ein Gitterspektrometer, mit dem man das Licht des Frequenzkamms in ein Spektrum zerlegt und ein Mikroskopobjektiv.

Die Anzahl der Zinken und deren Abstand hängt mit der Dauer der Laserpulse bzw. deren zeitlicher Wiederholungsrate zusammen. Je kürzer die Pulse, umso mehr Zinken sind im Spektrum enthalten und je höher die Pulswiederholrate, umso größer ist der Frequenzabstand zwischen den Zinken. Die Zinken der Lichtkämme waren bei den bisherigen Frequenzkammgeneratoren jedoch räumlich so dicht angeordnet, dass sie für viele Anwendungen nicht benutzt werden konnten. Bis jetzt waren nämlich lediglich Frequenzabstände von 0,1 bis 1 GHz erreicht worden.

Der neue große Zinkenabstand kommt durch eine Verkürzung der Dauer zwischen zwei Pulsen auf 100 ps (100 Picosekunden = 100 Billionstel Sekunden) zustande. Diese werden in einem nur 30 Millimeter langen Resonator erzeugt. Um allerdings die Zinkenabstände zu stabilisieren, ist es notwendig, die Laserpulse auf ein breiteres Frequenzspektrum auszudehnen. Dies wurde erreicht, indem die Pulse durch eine spezielle Glasfaser geschickt wurden. So konnten die Beschränkungen von Bandbreite und Leistung der Laser, die bisher der Erzeugung von Frequenzkämmen mit großem Zinkenabstand entgegenstanden, überwunden werden.

Mit dieser neuen Technik eröffnen sich nach Angaben der Wissenschaftler Möglichkeiten in Kommunikation, Fernerkundung, „high-speed computing“ und Astronomie, die bislang nicht vorhanden waren. Beispielsweise lassen sich astronomische Teleskope, mit denen nach erdähnlichen Planeten gesucht wird, viel genauer kalibrieren, so dass deren Empfindlichkeit um ein Hundertfaches steigen könnte.