Laserlicht wird 10.000-mal reiner

Energie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 08.04.2025

Dies ist die Versuchsanordnung, mit der das Team die Laserlinienbreite reduzierte. [Bild: Macquarie University]

Laserlinienbreite

Eine neue Technik hat es möglich gemacht, die Linienbreite eines Laserstrahls um mehr als den Faktor 10.000 zu reduzieren, ein Fortschritt, der so unterschiedliche Bereiche wie Quantencomputer , Atomuhren und die Erkennung von Gravitationswellen revolutionieren könnte.

Die Laserlinienbreite misst, wie genau ein Lichtstrahl seine Frequenz und Farbreinheit beibehält – je kleiner die Linienbreite, desto monochromatischer und spektral reiner ist der Laser.

Bei dieser Technik kommen Diamantkristalle und der Raman-Effekt zum Einsatz, bei dem Laserlicht Schwingungen in Materialien anregt und diese Schwingungen dann streut.

„Eine aktuelle Methode zur Reduzierung der Laserlinienbreite nutzt sogenannte Brillouin-Laser, die Schallwellen mit Licht interagieren lassen. Der Effekt ist jedoch relativ schwach – die Linienbreite wird typischerweise nur um das Zehn- bis Hundertfache reduziert“, erklärte Richard Mildren von der Macquarie University in Australien. „Unsere Technik nutzt die stimulierte Raman-Streuung, bei der der Laser Schwingungen mit viel höherer Frequenz im Material anregt und die Linienbreite tausendmal effektiver verkleinert.“

Und die theoretischen Berechnungen des Teams deuten darauf hin, dass die eigene Technik noch verbesserungswürdig ist, was zu noch reinerem Laserlicht führen könnte. „Unsere Computermodelle legen nahe, dass wir die Laserlinienbreite durch Variationen des aktuellen Designs um mehr als das Zehnmillionenfache reduzieren könnten“, sagte Teammitglied David Spence.

Modellstruktur mit überlappender Vorwärts- (oben) und Rückwärtsausbreitung (unten). [Bild: RL Pahlavani et al. - 10.1063/5.0271652]

Rauschen aus Licht entfernen

Um die erreichte Verstärkung zu erreichen, verwendete das Team einen Diamantkristall mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern in einem sorgfältig konstruierten Hohlraum und wendete dann einen absichtlich „verrauschten“ Eingangsstrahl mit einer Linienbreite von über 10 MHz an.

Das Problem besteht darin, mit den kleinen zeitlich zufälligen Schwankungen der Lichtwellen umzugehen, die Laserstrahlen weniger rein und präzise machen. In einem perfekten Laser wären alle Lichtwellen perfekt synchronisiert, doch in der Realität laufen einige Wellen anderen leicht voraus oder hinken hinterher, was zu Phasenschwankungen des Lichts führt. Diese Phasenschwankungen erzeugen „Rauschen“ im Laserspektrum – sie verzerren die Frequenz des Lasers und machen ihn weniger farbrein.

Die Raman-Technik funktioniert, indem diese zeitlichen Unregelmäßigkeiten in räumliche Schwingungen im Diamantkristall umgewandelt werden, wo sie sehr schnell (innerhalb weniger Billionstel Sekunden) absorbiert und wieder abgebaut werden. Das Ergebnis sind Lichtwellen mit deutlich gleichmäßigeren und damit spektral reineren Schwingungen, was zu einer deutlichen Einengung des Laserspektrums führt.

Die Verwendung von Diamantkristallen ist gerechtfertigt, da das Material außergewöhnliche thermische Eigenschaften aufweist und eine stabile Testumgebung bietet.

Durch die Raman-Streutechnik wurde der Ausgangslaserstrahl auf die 1-kHz-Grenze eingeengt, was einem Reduktionsfaktor von über 10.000 entspricht.

Theoretische Modelle deuten darauf hin, dass die Reinheit des Laserlichts weiter verbessert werden kann. [Bild: RL Pahlavani et al. - 10.1063/5.0271652]

Anwendungen von Reinstlichtlasern

Die Laser mit ultrafeinen Linien, die mit der Entwicklung dieser neuen Technik gebaut werden könnten, werden mehrere Anwendungsmöglichkeiten haben, beispielsweise in Quantencomputern, wo eine äußerst präzise Steuerung des Lasers erforderlich ist, um die Qubits zu manipulieren – aktuelle Laser können Phasenrauschen verursachen, das Fehler beim Quantencomputing verursacht, ein Problem, das an sich schon sehr komplex ist.

Eine höhere spektrale Reinheit wird auch die Atomuhren verbessern, die die Grundlage für die GPS-Navigation bilden und bald neue Entdeckungen in der Grundlagenphysik sowie die Neudefinition der Sekunde im Internationalen System ermöglichen könnten.

Und in der Astronomie könnten Gravitationswellendetektoren , die unglaublich kleine Verzerrungen in der Raumzeit messen, durch die Verwendung von Laserstrahlen mit schmalerer Linienbreite noch empfindlicher werden und möglicherweise schwächere Signale von weit entfernten kosmischen Ereignissen aufdecken.

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