Erster Schritt zu einer Atomkernuhr
Erst kürzlich ist es mit so genannten modengekoppelten Lasern, die eine beliebig lange Kette aus extrem kurzen Lichtpulsen emittieren, gelungen, die Schwingungen von sichtbarem Licht erstmals direkt zu zählen. Das eröffnete neue Perspektiven beispielsweise für hochgenaue Atomuhren. Das Frequenzspektrum eines solchen Lasers besteht aus einer langen gleichmäßigen Reihe von schmalen Linien, die man mit den Zinken eines Kamms vergleichen kann.
In klassischen Pendeluhren schwingt der Taktgeber etwa ein Mal pro Sekunde, in Quarz-Armbanduhren etwa eine Million Mal, in modernen Cäsium-Atomuhren, die Grundlage der SI-Einheit Sekunde sind, zehn Milliarden Mal und in optischen Atomuhren noch hunderttausend Mal schneller. Eine weitere Steigerung der Taktgeberfrequenz wäre möglich, wenn man statt der Schwingung der Elektronenhülle die Schwingung eines Atomkerns nutzen könnte. Doch das scheiterte bisher, weil es nicht gelang, solche Schwingungen mit ausreichender Präzision zu erkennen und zu zählen.
Bei der "nichtlinearen Konversion" von elektromagnetischen Wellen entsteht in einem geeigneten Medium Licht mit einer Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des ursprünglichen Lichtes beträgt. Dies ermöglicht im Prinzip die Erzeugung von XUV- oder gar weicher Röntgenstrahlung aus sichtbarem oder nah-infrarotem Licht. Doch damit diese Konversion effizient abläuft, braucht man eine sehr hohe Lichtleistung, die durch Konzentration der mittlere Leistung aus einem Laser in wenige extrem kurze Lichtblitze (meistens einige Tausend pro Sekunde) erreicht wird. Auf diese Weise kann die Leistung in einem Lichtblitz auf einige hundert Milliarden Watt gesteigert werden, ohne die im Mittel abgestrahlte Lichtleistung von einigen Watt zu erhöhen. Doch auch bei so hoher Leistung in einem Lichtblitz ist die Konversion in XUV-Licht ineffizient. Denn höchstens ein Hunderttausendstel der gesamten Leistung wird konvertiert und ein Großteil der eingestrahlten Leistung geht verloren.
Die Forscher um Christoph Gohle und seine Kollegen in der Gruppe von Theodor W. Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben jetzt eine Lichtquelle vorgestellt, die einen solchen "Frequenzkamm" im extrem ultravioletten Spektralbereich (XUV) zur Verfügung stellt. Der Abstand zwischen den Linien dieses Kamms ist so groß, dass jede Linie für neue Präzisionsmessungen in dem bisher noch nicht erschlossenen Frequenzbereich benutzt werden kann.
Sie haben die auftretenden Schwierigkeiten mit einem Trick umgangen: Sie speichern die Pulse aus einem Laser mit einer hohen Wiederholrate zwischen zwei oder mehr Spiegeln derart, dass sich jeder neu eintreffende Puls zu dem in der Spiegelanordnung bereits umlaufenden Puls addiert und auf diese Weise die Leistung des umlaufenden Pulses viele hundert Mal größer werden kann. Wird das nicht-lineare Medium zur Frequenzkonversion - ein Strahl aus Xenon-Atomen - nun innerhalb dieser Anordnung platziert, so kann die Konversion ins XUV bei einer sehr hohen Wiederholfrequenz von über 100 Millionen Pulsen pro Sekunde stattfinden. Zudem geht das Licht, das nach einem Durchgang durch das Medium nicht konvertiert wurde, nicht verloren, sondern wird weiter zwischen den Spiegeln gespeichert und kann somit zu weiteren Durchläufen durch das Medium beitragen.
Die neue Lichtquelle ist dabei nahezu punktförmig und soll neue Möglichkeiten bei Anwendungen mit ultraviolettem Licht eröffnen. Die Einfachheit und Kompaktheit der Quelle und die hohe Wiederholrate stellen den Forschern zu Folge auch Anwendungen in der Halbleiterherstellung oder der hochdichten holographischen Datenspeicherung in Aussicht.