Forschung & Entwicklung

Phasenrauschen kürzer als atomare Zeiteinheit

16.08.2010

Ein Rekord in der Carrier-Envelope Phase (CEP) Stabilisierung: Die verbleibenden Phasenschwankungen von 12 Attosekunden entsprechen der bisher kürzesten von Menschenhand kontrollierten Zeit.

Ultrakurzer Lichtpuls mit stabilisierter optischer Phase (Bild: MBI)

Forscher um Dr. habil. Günter Steinmeyer vom Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI) in Berlin haben gemeinsam mit der Femtolasers Produktions GmbH, Wien, ein neues Verfahren entwickelt, mit dem sie die Phasenlage der Feldamplitude innerhalb eines Laserspulses extrem genau einstellen können. Dabei wird im Gegensatz zu den bisher angewandten Methoden nicht mehr aktiv in den Laser eingegriffen, wodurch Schwankungen der Laserleistung und Pulsdauer vermieden werden und eine hohe Langzeitstabilität erreicht wird. Vielmehr erfolgt die Korrektur der Phasenlage außerhalb des Lasers in einem akusto-optischen Frequenzschieber, der direkt ohne Regelung mit dem Messsignal gespeist wird.
Für sichtbares Licht dauert eine einzelne Oszillation des elektrischen Feldes etwa 1200-2500 as. Ein ultrakurzer Lichtpuls besteht aus wenigen solchen Feldschwingungen, im Bild angedeutet durch die rote oder blaue Linie innerhalb der schwarz gezeichneten Feldeinhüllenden des Pulses. Die maximale Feldstärke wird im Pulszentrum erreicht, wenn das Maximum der Einhüllenden mit der maximalen Feldamplitude zusammenfällt. Bisher war eine Stabilisierung der Lage der Feldknoten auf etwa 100 as möglich (10^-16 s, entsprechend 1/20 der Wellenlänge), was auch den kürzesten bisher erreichten as-Pulsen entspricht. Die Linienbreite in der grün umrandeten Vergrößerung deutet die Unschärfe in der Phasenregelung an.
Mit der neuen Methode der direkten Feldsynthese außerhalb des Lasers ist es nun gelungen, die Stabilisierung der Phasenlage auf 12 as zu verbessern (1,2x10^-17 s, 1/200 der Wellenlänge, gelb umrandete Vergrößerung). Damit wurde erstmals die Schallmauer der atomaren Zeiteinheit (24 as) unterschritten, die die Größenordnung der schnellsten denkbaren Prozesse in der Atomhülle markiert. Das MBI geht davon aus, dass viele Experimente in der Attosekundenphysik und Frequenzmetrologie durch die direkte Korrektur der Phasenlage dramatisch vereinfacht werden. Femtolasers arbeitet bereits an einer kommerziellen Umsetzung des neuen Verfahrens.
[S. Koke, Ch. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, G. Steinmeyer, Direct frequency comb synthesis with arbitrary offset and shot-noise-limited phase noise, Nature Photonics, online 9.5.2010]

Photonik 4/2010

• http://www.fv-berlin.de
• http://www.femtolasers.com