Laserstrahlen werden zum Schneiden von Metallen ebenso verwendet wie zum Vermessen von Brücken oder zum Befestigen einer sich ablösenden Netzhaut am Auge. Sie sind vielfältig und sie gelten als äußerst präzise. Doch ihr Potenzial ist längst nicht ausgeschöpft, wie nun Wissenschaftler der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zeigten. Sie entwickelten den bisher schärfsten Laserstrahl der Welt.
Schärfster Laserstrahl der Welt streut auf nur 10 Millihertz
Laserstrahlen sind nichts anderes als elektromagnetische Wellen. Wer sich das verdeutlicht, dem dämmert Folgendes: Das von Lasern ausgehende Licht besteht nicht aus einer einzigen Frequenz, sondern es streut. Für das menschliche Auge ist das nicht sichtbar, aber es ist messbar. Man nennt es die Linienbreite.
Der haben sich die Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gemeinsam mit US-Wissenschaftlern eines Instituts der University Boulder und des National Institute of Standards and Technology angenommen und einen Laser mit einer Linienbreite von nur 10 Millihertz entwickelt. Zum Vergleich: Bisherige Laser brachten es auf eine Linienbreite von einigen Kilohertz, also der 100.000-fachen Breite des jetzt entwickelten Lasers.
Auch die Takttreue konnten die Forscher wesentlich verbessern
Der ultrascharfe Laser hat aber nicht nur eine geringere Streuung, nein, er hält auch den Takt besser als herkömmliche Lasertypen. Die Forscher des PTB beschreiben das so: „Obwohl die Lichtwelle knapp 200 Billionen Mal pro Sekunde schwingt, gerät sie erst nach 11 Sekunden aus dem Takt. Der ausgestrahlte Wellenzug hat dann schon eine Länge von etwa 3,3 Millionen Kilometern erreicht.“
Grundlage dafür war ein neuer Resonator, den die Forscher um den PTB-Physiker Thomas Legero aus einem Silizium-Einkristall produziert haben. Diesen haben sie so weit von allen Umwelteinflüssen wie Temperatur- sowie Druckveränderungen abgeschirmt, dass nur noch die thermischen Bewegungen der Atome im Resonator selbst übrig blieben. In Kombination mit einer ausgetüftelten Stabilisierungselektronik folgt die Lichtfrequenz des Lasers so nur noch der Eigenschwingung des Resonators. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Physical Review Letters.
Die neu entdeckte Präzision der PTB und des Gemeinschaftsinstituts Jila stellt jedenfalls einen neuen Weltrekord dar – und weckt Hoffnungen.
Ultrahohe Präzision für Atomuhren und Astronomie
Denn für einige Anwendungen ist diese äußerste Präzision notwendig. Etwa für die nächste Generation von Atomuhren, die sich derzeit in der Entwicklung befinden: optische Atomuhren. „Je kleiner die Linienbreite des verwendeten Lasers ist, desto genauer lässt sich die Frequenz der Atome in einer optischen Atomuhr ermitteln. Mit dem neuen Laster können wir die Qualität unserer Uhren daher entscheidend verbessern“, sagt Legero. Die optischen Atomuhren im PTB in Braunschweig profitieren bereits von der Entwicklung.
Aber auch für Präzisionsmessungen an ultrakalten Atomen, für Tests der Relativitätstheorie und der Radioastronomie soll der neue Laser zum Einsatz kommen.
Auch die Industrie von morgen setzt auf präzises Licht
Für die Wirtschaft muss es zwar nicht ganz so genau sein, wie für die Wissenschaft, dennoch sind präzise Licht-Werkzeuge dort nicht mehr wegzudenken. Jeder zweite Industriemanager in Deutschland rechnet laut Laser-World-Trendindex damit, dass Licht-Werkzeuge die mechanische Materialverarbeitung ablösen werden. Zumindest in den traditionellen Fertigungsbranchen. Und drei von vier Betriebe nutzen bereits Lösungen der Photonik und laserbasierter Systeme, um zu schweißen, zu schneiden oder zu bohren.
Und warum? Weil es als äußerst präzise gilt, sagen über 90% der Befragten.
Mehr Anwendungsfälle, ob für sicheres Fahrradfahren oder zur Abwehr von Booten auf See, finden Sie hier.
