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Ultrapräzise Synthese und Messung optischer Frequenzen

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Mit Laserlicht Distanzen oder Zeiten genau zu messen oder Internet-Seiten über Glasfasern um die halbe Welt zu schicken, gehört heute zum technischen Alltag. Doch ließ sich das wirkliche Potenzial solcher Anwendungen bisher noch nicht ausschöpfen, weil es für Licht, anders als für Radiowellen, keinen praktikablen Weg gab, die Frequenz, d.h. die ungeheuer große Zahl der Schwingungen pro Sekunde, direkt zu messen.

Hier hat eine Arbeitsgruppe um den Münchner Forscher Prof. Theodor Hänsch nun einen Durchbruch erzielt. Mit einem neuartigen Verfahren für die Messung und Regelung der Frequenz von Licht hat sie ein vierzig Jahre altes Problem der Laserphysik in eleganter und universeller Weise gelöst. Hänsch konnte aufzeigen, wie ein einziger kompakter modengekoppelter Femtosekundenlaser gleichzeitig Hundertausende von scharfen Laserlinien erzeugen kann. Der so entstehende optische Frequenzkamm erstreckt sich über den ganzen sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die absolute Frequenz jeder einzelnen Linie des Kammes lässt sich dabei mit Radiofrequenz-Methoden mit extrem hoher Genauigkeit bestimmen.

Mit der neuen Technik lässt sich nun endlich die Längeneinheit Meter so realisieren, wie sie 1983 durch internationale Übereinkunft definiert wurde. (Nach dieser Vorschrift findet man die Wellenlänge eines Lasers, in Meter, indem man die 1983 definierte Lichtgeschwindigkeit durch die gemessene Lichtfrequenz dividiert.)

Die Methode wurde ursprünglich für die ultrapräzise Spektroskopie entwickelt. So konnten Hänsch und Mitarbeiter z.B. die Frequenz einer scharfen Linie im Wasserstoffatom auf 14 Dezimalstellen genau messen. Doch sind inzwischen eine ganze Reihe technischer Anwendungen in greifbare Nähe gerückt. So erlaubt die neue Technik z.B. die Entwicklung neuartiger Atomuhren, die als „Pendel“ Atome einsetzen, die mit der Frequenz von Licht schwingen, und deren Genauigkeit herkömmliche Uhren um das Tausendfache übertreffen kann. Solche Uhren werden den gesteigerten Anforderungen zukünftiger Satelliten-Navigationssysteme oder Telekommunikationssysteme gerecht werden.

Besonders vielversprechende Perspektiven eröffnen sich für die optische Nachrichtentechnik. So erfordert die Erhöhung der Übertragungskapazitäten von Glasfaserleitungen eine dichtere Belegung mit Kommunikationskanälen und damit einen genau bestimmten Kamm optischer Trägerfrequenzen, wie ihn die Erfindung von Prof. Hänsch erstmals bereitstellt.

Inzwischen haben Prof. Hänsch und Mitarbeiter über Garching Innovations vier deutsche und internationale Patente angemeldet. Im Juli 2001 gründeten seine Mitarbeiter Dr. Ronald Holzwarth und Dr. Michael Mei eine Firma, Menlo Systems GmbH, zur kommerziellen Verwertung dieser Basispatente.

Im Juni 2001 stellte diese Firma auf dem Stand „Bayern Innovativ“ der Münchner Messe LASER 2001 einen zuverlässig funktionierenden optischen Frequenzkammgenerator einem breiten Fachpublikum vor.

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Das Projekt „Ultrapräzise Synthese und Messung optischer Frequenzen“ wurde von der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften vorgeschlagen.