Frequenzkamm

Der Frequenzkammgenerator ist eine Messeinrichtung für die hochgenaue Frequenzmessung; indirekt werden damit auch hochgenaue Entfernungsmessungen möglich. Dieses Instrument erzeugt einen Lichtstrahl, den sogenannten Frequenzkamm, mit dem sich die Schwingungsfrequenz eines anderen Lichtstrahls um fünf Größenordnungen genauer als mit den bis dahin bekannten Methoden bestimmen lässt.

Mit einem Frequenzkamm kann die Frequenz einer elektromagnetischen Strahlung (unter anderem auch Licht) sehr präzise gemessen werden. Das Gerät wurde 1998 in der Arbeitsgruppe von Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erfunden, der dafür 2005 den Nobelpreis für Physik erhielt.

Das Frequenz-Spektrum des Lichts aus einem Frequenzkammgenerator besteht aus diskreten und streng periodischen Linien (hier farbig dargestellt), den „Zinken“ des Frequenzkamms. (Details zu den Formelzeichen unter Träger-Einhüllenden-Phase)

Die Forscher hatten das Problem, eine Frequenz von fast 10¹⁵ Hz zu messen, was bislang unmöglich war für die gängige Elektronik. Damit kann man zurzeit Frequenzen bis etwa 10¹¹ Hz messen. Der Frequenzkamm arbeitet entsprechend der Analogie eines optischen Getriebes: Die zu messende Frequenz wird in eine niedrigere Frequenz übersetzt wie beispielsweise in Radiowellen. Das Herzstück ist ein Laser, der Lichtwellen von sehr genau bekannter Frequenz liefert, die mit dem zu vermessenden Lichtstrahl interferieren. Es bildet sich ein Interferenzmuster mit einer Frequenz im Radiobereich (eine sogenannte Schwebung), aus der sich dann auf die unbekannte Frequenz schließen lässt. Ein Frequenzkamm arbeitet nicht nur mit einer einzigen Frequenz, sondern mit mehreren scharfen Linien im sichtbaren Bereich, den „Zinken eines Kamms“, daher die Namensgebung.

Aufbau

Zusammengesetzt ist der Frequenzkammgenerator aus einem Femtosekundenlaser, dessen Träger-Einhüllenden-Phase mit Hilfe eines nichtlinearen Interferometers (f-2f Interferometer, Frequenzverdopplung) gemessen und konstant gehalten wird.

Das relativ breite optische Spektrum dieses Lasers setzt sich aus mehreren sehr scharfen Linien in exakt konstantem Frequenz-Abstand zusammen. Mit dem f-2f Interferometer wird nun sowohl der Abstand dieser „Frequenz-Nadeln“ voneinander als auch die absolute Lage des gesamten Kammes gemessen. Diese beiden Messgrößen sind einfacher messbar, weil sie im Radiofrequenz-Bereich liegen, und können durch Vergleich mit einer Atomuhr sehr exakt bestimmt werden. Dadurch ist die absolute Frequenz jeder einzelnen Frequenz-Nadel im Spektrum dieses Lasers jetzt exakt bekannt. Durch die Messung einer Schwebung kann nun die Frequenz-Differenz zwischen einer auf diese Weise kalibrierten Frequenz-Nadel und einer nicht so genau bekannten Frequenz eines anderen Lichtstrahls bestimmt werden.

Bedeutsam ist auch die handliche Größe des Gerätes; es ist nicht größer als ein Schuhkarton. Vorgänger-Experimente zur exakten Frequenzmessung (die „Frequenzkette“) nahmen mehrere Räume ein.

Anwendungen

Die wichtigsten Anwendungsbereiche sind:^[1]

• um mehrere Größenordnungen höhere Datenübertragungsraten in Lichtleitern bei geringerer Interferenz zu Nachbarkanälen und verbesserter Abhörsicherheit, so dass z.B. mehr Telefongespräche gleichzeitig mit einem Übersee-Lichtkabel übertragen werden können
• billigerer und wahrscheinlich um mehrere Größenordnungen genauerer Ersatz für mobile Atomuhren, die u.a. für die Satellitennavigation wichtig sind
• höchst empfindliche chemische Detektoren
• Erweiterung der Möglichkeiten der "Designer-Chemie" im Bereich ultrakalter chemischer Reaktionen.
• Verbesserung von auf der Lidar-Technik basierenden Abstandsmesssystemen um mehrere Größenordnungen. Mit diesem Gerät können zum Beispiel die sehr geringen Dopplerverschiebungen im Spektrum sich umeinander drehender Sterne so genau gemessen werden, dass sogar nachgewiesen werden kann, wenn Planeten um ferne Sonnen kreisen; denn wenn sich ein kleiner Planet um eine schwere Sonne dreht, drehen sich beide um einen gemeinsamen Schwerpunkt, der nicht weit von der Sonnenmitte liegt. Das ergibt dann nur ein leichtes Schwingen des Hauptsterns, das eine geringe Dopplerverschiebung verursacht, die sich aber mit dem Frequenzkamm messen lässt, sodass daraus die Planetenbahn errechnet werden kann^[2].

Quellen

1. ↑ Steven Cundiff, Jun Ye und John Hall: Lineale aus Licht. In: Spektrum der Wissenschaft. 8/2009 (Online).
2. ↑ Frequenzkamm in astronomischen Beobachtungen

Weblinks

• Frequency Combs: High Precision Measurements for fundamental Physics
• Der Frequenzkamm (PDF-Datei; 653 kB)