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Optik: Der rauschärmste Laser der Welt

Einen Laserstrahl von besonderer Güte haben Forscher vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik und der Leibniz Universität Hannover hergestellt. Dabei gelang den Physikern ein Weltrekord in der Kontrolle von Photonen.
Quelle für gequetschtes LichtLaden...
Licht ist nicht gleich Licht. So gibt es neben dem normalen Licht einer Glühbirne, das ein breites Wellenlängenspektrum umfasst, das gebündelte und kohärente Laserlicht, das mit seiner hohen Intensität in einem schmalen Frequenzbereich aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken ist.

Allerdings sind in einem normalen Lichtstrahl und selbst in einem herkömmlichen Laserstrahl die Lichtquanten zufällig verteilt – so fordert es in der Regel das Zufallsprinzip der Quantenphysik. Mal kommen viele Photonen als Gruppe an, mal kommen sie nur vereinzelt – etwa so, wie bei einem Regenschauer mal mehr und mal weniger Tropfen auf die Erde prasseln. Diese Schwankung der Intensität, die Photonenrauschen heißt, stört bei besonders empfindlichen Messungen.

Gewöhnlich fallen die Intensitätsschwankungen in einem Lichtstrahl nicht auf, weil jedes Lichtteilchen nur eine winzige Energie trägt. Physiker müssen schon sehr genau hinsehen, um sie zu bemerken. Genau das tun sie aber am Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Hannover: In ihrem Gravitationswellen-Detektor GEO600 setzen sie Laserstrahlen ein, um winzig kleine Entfernungsänderungen zu messen.

Sie wollen damit Gravitationswellen aus dem Kosmos nachweisen, die entstehen, wenn große Massen ihre Bewegung ändern – wenn etwa Schwarze Löcher umeinander wirbeln oder Neutronensterne vibrieren. Gelänge es, Gravitationswellen zu messen, könnten Astrophysiker Schwarze Löcher beobachten, in das Innere von Neutronen-Sternen schauen und mehr über die rätselhafte Dunkle Materie erfahren. Mit normalen Teleskopen sind solche dunklen Objekte nicht sichtbar.

Diese Messungen sind so empfindlich, dass sich das Photonenrauschen des Laserlichts bei ihnen deutlich bemerkbar macht. Um die Genauigkeit zu erhöhen, haben die Forscher daher nun das Licht "gequetscht": Sie haben die Intensität, also die Zahl der Lichtquanten oder Photonen, über eine bestimmte Zeit beinahe konstant gehalten. Und dabei gelang ihnen sogar ein Weltrekord: Sie konnten das Photonenrauschen auf ein Zehntel reduzieren.

Kristall als Lichtspeicher

Alle derzeitigen Gravitationswellen-Detektoren verwenden infrarotes Laserlicht. Mit den extrem gleichmäßigen Laserstrahlen, die Roman Schnabel und seine Mitarbeiter jetzt herstellen können, lassen sich diese Detektoren enorm verbessern. "Dafür sortieren wir die Lichtquanten des Laserstrahls um und ordnen sie regelmäßiger an", erklärt Schnabel. Das gelingt ihnen mit Hilfe von doppelbrechenden, nicht-linearen Kristallen. Diesen beleuchten sie mit einem grünen Laserstrahl, der genau die halbe Wellenlänge des infraroten hat. "Erst dieser Laser präpariert den Kristall so, dass er das infrarote Licht quetscht", sagt Schnabel.

Gequetschtes LichtLaden...
Gequetschtes Licht | Eine Quelle für gequetschtes Licht: Ein Kristall, der mit grünem Laserlicht bestrahlt wird, kann die Intensitätsschwankungen in einem nicht sichtbaren infraroten Laser reduzieren.
Der grüne Laserstrahl polarisiert den Kristall, versetzt also die Elektronenhüllen der Kristallatome in Schwingungen – und zwar genau mit der Frequenz des grünen Lasers. In diesem Zustand kann der Kristall Photonen des infraroten Laserstrahls speichern. Und das tut er genau dann, wenn die Lichtteilchen des infraroten Lasers geballt auf den Kristall treffen. Wird der infrarote Photonenstrom wieder dünner, wird er mit dem im Kristall gespeicherten Licht aufgefüllt. So werden die Photonen gleichmäßiger angeordnet.

"Mit gequetschtem Laserlicht, wie wir es erzeugen, kann man die Reichweite von Gravitationswellen-Detektoren mehr als verdreifachen", freuen sich die Forscher. Damit ließen sich sogar Verschmelzungen von leichten Schwarzen Löchern am Rand des Universums beobachten. Mit anderen derzeitigen Messmethoden sei das nicht möglich. Ein Gravitationswellen-Detektor wie GEO600 bei Hannover besteht aus zwei rechtwinklig angeordneten Tunneln, in denen Laserstrahlen zwischen Spiegeln hin- und her laufen. An der Stelle, an der sich die Tunnel treffen, überlagern sich die Strahlen, wobei ein Lichtmuster – ein Interferenzmuster – entsteht.

Trifft nun eine Gravitationswelle aus dem Kosmos auf den Detektor, zieht sie die Tunnel ein klein wenig in die Länge oder staucht sie. Dadurch verändert sich die Laufstrecke der Laserstrahlen, sodass sie kurzzeitig ein anderes Interferenzmuster erzeugen. Empfindliche Messgeräte zeichnen das auf und erlauben es den Forschern so, durchlaufende Gravitationswellen zu erkennen – zumindest in der Theorie.

Lineal für den Bruchteil eines Atomradius

Praktisch ist es bisher nicht gelungen, Gravitationswellen nachzuweisen. Denn wenn eine Gravitationswelle auf den Detektor GEO600 trifft, verändert sie die Länge seiner Tunnel gerade einmal um ein zehn Billiardstel Millimeter – das ist eine Milliarde Mal kleiner als der Durchmesser eines Atoms. Um so winzige Strecken zu messen, müssen die Laserstrahlen, die das Interferenzmuster erzeugen, eine möglichst gleich bleibende Intensität besitzen: Jede Helligkeitsschwankung verändert das Überlagerungsmuster der Strahlen und täuscht damit eine durchlaufende Gravitationswelle vor.

Hier liegt nun der Vorteil von gequetschten Laserstrahlen: Weil sie eine extrem gleichmäßige Intensität haben, erzeugen sie ein sehr stabiles Interferenzmuster. Der Detektor wird dadurch empfindlicher, kann schwächere Wellen nachweisen und tiefer ins All lauschen.

Weiteres Anwendungspotenzial hat das gequetschte Licht in der optischen Datenübertragung. Mit ihm ließen sich Daten sicher verschlüsseln, weil ein Lauschangriff die regelmäßige Anordnung der Lichtteilchen zerstören würde und daher leicht aufzudecken wäre. "Bei der Anwendung in der Quantenkryptographie stehen wir jedoch noch ganz am Anfang", so Schnabel.
26.01.2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 26.01.2008

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