Frequenzkämme

Um hochfrequente Schwingungen zu messen, nutzen Forscher ein ganz spezielles Lineal – den sogenannten Frequenzkamm, für den es 2005 den Nobelpreis für Physik gab. Inzwischen kommt das Laserlineal in vielen Gebieten zum Einsatz, wie Tobias Wilken vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching in einem Audiobeitrag erklärte. Hier finden Sie den Beitrag zum Nachlesen.

Sichtbares Licht besitzt Frequenzen im Bereich von Hunderten von Terahertz. Diese Frequenzen lassen sich elektronisch nicht direkt messen oder zählen. Man muss also ein Hilfsmittel erfinden, das diese Frequenzen der elektronischen Messtechnik zugänglich macht. Dieses Hilfsmittel ist der Frequenzkamm, eine besondere Art von Laser. Ein handelsüblicher roter Laser sendet eben nur rotes Licht aus – der Laser des Frequenzkamms hingegen strahlt weiß, ähnlich wie Sonnenlicht. Zerlegt man das weiße Sonnenlicht mit einem Prisma in seine Einzelteile, wird man alle Farben des Regenbogens beobachten. Dies ist das Spektrum des Sonnenlichts. Auch der Frequenzkamm deckt den gesamten Wellenbereich des sichtbaren Lichts ab, allerdings ist sein Spektrum nicht kontinuierlich. Er sendet nur bestimmte Frequenzen aus.

Tobias Wilken: „Das Fantastische am Frequenzkamm ist, dass der Abstand zwischen jeder einzelnen dieser Frequenzen exakt gleich ist, wobei der Abstand im Radiofrequenzbereich liegt. Das heißt, auch wenn jede Frequenz, die dieser Laser emittiert, im optischen Bereich liegt, also bei Hunderten von Terahertz, so liegt der Abstand zwischen den Frequenzen im Radiofrequenzbereich, also bei unter einem Gigahertz.“

Mit dem Frequenzkamm lassen sich optische Frequenzen deshalb mit äußerster Präzision vermessen, weshalb man ihn auch als Laserlineal für Licht bezeichnet. Zum Einsatz kommt dieses Lineal zum Beispiel bei Lasern, die kontinuierlich Licht abstrahlen – sogenannte Continuous-Wave- oder kurz CW-Laser.

Tobias Wilken vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik

„Diesen Laser überlagert man mit dem Frequenzkamm und zwar ganz praktisch, indem man die zwei Laserstrahlen des CW-Lasers und des Frequenzkamms geometrisch überlagert und auf einen Punkt zusammenbringt. Auf einer Fotodiode entsteht an dieser Stelle dann ein Schwebungssignal.“

Eine Schwebung entsteht, wenn sich zwei Wellen oder Schwingungen mit einer ähnlichen Frequenz überlagern. Es müssen nicht einmal unbedingt elektromagnetische Wellen sein – das Prinzip funktioniert auch für Schallwellen.

„Zum Beispiel werden Klaviere so gestimmt: Man hat eine Stimmgabel und schlägt gleichzeitig den Ton auf dem Klavier an, den man stimmen möchte. Wenn die Referenzfrequenz der Stimmgabel und die Frequenz des Klaviers leicht voneinander abweichen, dann ergibt sich eine Schwebung. Das heißt, dass die Lautstärke des Tons, den man hört, in der Amplitude mit einer sehr langsamen Frequenz moduliert ist. Diese langsame Modulationsfrequenz ist genau die Differenzfrequenz zwischen der Stimmgabel und dem Klavier.“

Diese Differenzfrequenz entsteht auch bei der Überlagerung von Laserlicht und Frequenzkamm. Während der zu vermessende Laser nur eine einzige Frequenz aussendet, besitzt der Frequenzkamm viele „Zinken“, also viele verschiedene Frequenzen. Das macht die Messung ein wenig komplizierter als beim Klavier. Denn zunächst müssen die Forscher genau wissen, mit welcher der Zinken, auch Kammmode genannt, sie ein Schwebungssignal erzeugen.

„Bei der einfachsten Methode charakterisiert man den Laser, den man messen möchte, zunächst grob – zum Beispiel über eine Wellenlängenmessung. Diese Messung ist zwar viel ungenauer, dafür aber mit simplen Messgeräten durchzuführen. Dadurch kann man die Frequenz schon einmal auf genauer als ein Gigahertz vorbestimmen. Danach kann man sich die Schwebungsfrequenz mit dem Frequenzkamm anschauen und weiß dann von vorneherein, mit welcher der Kammmoden man die Schwebungsfrequenz erzeugt.“

Die Schwebungsfrequenz von Laser und Frequenzkamm liegt im Radiofrequenzbereich – und diese lässt sich problemlos elektronisch messen. Aus der Frequenz des Kamms und der Schwebungsfrequenz kann man schließlich auf die ursprüngliche Frequenz des Laserlichts zurückschließen. Der Frequenzkamm fungiert also gewissermaßen als Getriebe: Seine Aufgabe ist es, hohe optische Frequenzen in Radiofrequenzen zu übersetzen. Vor seiner Erfindung war dies nicht möglich. Ein weiterer Vorteil des Frequenzkamms gegenüber älteren Methoden ist seine Größe. Brauchte man früher raumfüllende Technik, um auch nur eine einzige hohe Frequenz zu messen, ist ein Frequenzkamm derzeit etwa so groß wie ein Schuhkarton und vermisst alle hohen Frequenzen im optischen Bereich.

„Die ursprüngliche Anwendung war tatsächlich, Laserfrequenzen genau zu bestimmen, um Laserspektroskopie zu betreiben, etwa um Atome zu spektroskopieren und die Übergangsfrequenzen in diesen Atomen genau zu bestimmen.“

Seit seiner Erfindung im Jahr 1999 hat sich der Frequenzkamm jedoch auf noch viel mehr Gebieten als nützlich erwiesen. Mit seiner Hilfe können zum Beispiel präzisere Atomuhren als bisher hergestellt werden. Diese spielen unter anderem bei der Satellitennavigation eine wichtige Rolle. Außerdem eröffnet sich ein ganz neues Forschungsgebiet: Die Attosekundenphysik, in der man Vorgänge auf ultrakurzen Zeitskalen untersucht. Eine Attosekunde entspricht einem Milliardstel eines Milliardstels einer Sekunde. Ohne den Frequenzkamm ließen sich Lichtpulse in der Größenordnung von Attosekunden überhaupt nicht kontrollieren. Und in noch einem Gebiet können Frequenzkämme zum Fortschritt beitragen:

Spektrum eines Frequenzkamms

„Seit etwa sechs Jahren entwickeln wir hier in der Gruppe Frequenzkämme, die dazu genutzt werden können, Spektrografen in der Astronomie besser kalibrieren zu können. Potenziell kann man dann mit erdgebundenen Teleskopen nach extrasolaren Planeten suchen. Das Fernziel ist, vielleicht sogar die beschleunigte Ausdehnung des Universums direkt messen zu können.“

Eine der Methoden zur Entdeckung von Exoplaneten besteht darin, das Spektrum eines Sterns zu untersuchen. Ein Stern und sein Planet kreisen nämlich um einen gemeinsamen Schwerpunkt, der zwar fast, aber eben nicht genau im Zentrum des Sterns liegt. Daher wackelt der Stern ein wenig. Ein Teleskop auf der Erde fängt das Sternenlicht ein und ein Spektrograf zerlegt es in seine Einzelteile. Das Wackeln des Sterns können Forscher anhand der verschobenen Frequenzlinien im Spektrum beobachten und daraus schließen, ob ein Exoplanet um den Stern kreist oder nicht. Bisher hat man mit dieser Methode allerdings nur feststellen können, ob ein großer, jupiterähnlicher Planet einen Stern umkreist. Kleinere, vielleicht erdähnliche Planeten bewirken eine viel geringere Verschiebung der Frequenzen. Hier stoßen Spektrografen bisher an ihre Grenzen.

„Traditionell wurden Spektrografen mit Spektrallampen vermessen. Diese Spektrallampen haben nun aber keine unendlich gute Genauigkeit. Sie sind zum Beispiel durch Alterungsprozesse in den Lampen limitiert.“

Den Frequenzkamm plagen keine solchen Alterungsprozesse. Die Gruppe von Tobias Wilken hat ihn zusammen mit der Europäischen Südsternwarte am La-Silla-Observatorium in Chile getestet: Der Spektrograf des Teleskops erreichte so eine zehnmal höhere Genauigkeit als mit Spektrallampen. Nun wird darüber nachgedacht, den Frequenzkamm satellitentauglich zu machen. Somit kann er in Zukunft nicht nur auf der Erde hochgenaue Frequenzmessungen vornehmen, sondern vielleicht auch im All.