Der Laser Einer für Alles?

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1 Der Laser Einer für Alles? Studium Generale, Universität Mainz Thomas Walther Laser und Quantenoptik - Institut für Angewandte Physik TU Darmstadt 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 1

2 Wie entsteht Licht? Temperatur Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 2

3 Wie entsteht Licht? Gasentladung Lumineszenz Farbstoffzellen 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 3

4 Quantenphysik: Licht (Einstein 1917) Absorption Spontane Emission Stimulierte Emission A. Einstein, Physikalische Zeitschrift 18, (1917) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 4

5 Der Laser ist möglich Erfindung des Masers durch Townes und Shawlow 1958 Übertragung in den optischen Bereich möglich 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 5

6 16. Mai Der erste Laser Theodore Maiman Erfinder des Rubinlasers (1960) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 6

7 16. Mai 1960 Der erste Laser A laser is a solution seeking a problem T. H. Maiman in the New York Times, Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 7

8 Arthur Schawlow 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 8

9 Die Zeit war reif... Erfinder CO2 Laser 1964 Wort: Laser (1957) G. Gould A. Javan Erfinder HeNe-Laser, K. Patel R.N. Hall Erfinder Halbleiterlaser, Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 9 E. Snitzer Erfinder des Festkörper- und Faserlasers, 1961

10 Nicht-lineare Optik: Frequenzkonversion 3ω 2ω ω 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 10 Hohe Lichtintensität des Lasers Damit große Feldstärke Nicht-lineare Effekte bei Wechselwirkung mit Materie Erzeugung der Harmonischen (z.b. Strahlung doppelter Frequenz) Analogie: AudioVerstärker mit zu hoher Lautstärke

11 Erstmalige Veröffentlichung SHG Franken, Hill, Peters, Weinreich, Phys. Rev. Lett. 7, (1961) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 11

12 Erstmalige Veröffentlichung SHG Der Pfeil bei 3472 Å zeigt auf das kleine, aber intensive Bild, das von der zweiten Harmonischen erzeugt wurde. Franken, Hill, Peters, Weinreich, Phys. Rev. Lett. 7, (1961) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 12

13 Funktionsweise des Lasers LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Stimulierte Emission Laserlicht Spiegel Teildurchlässiger Spiegel Spontane Emission gerichtet große Reichweite, hohe Leistungsdichte monochromatisch Selektivität kohärent spezielle Messmethoden 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 13

14 Laser von sehr gross... NIF, Lawrence Livermore National Laboratory, USA 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 14

15 ... bis sehr klein Ti:Saphir Laser Faserverstärker Halbleiterlaser Farbstofflaser 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 15 VCSEL

16 Anwendungen I Medizin Fangen und Kühlen Mikroskopie 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 16 Astronomie Quantenkryptografie

17 Anwendungen II Kommunikation Laser als Stroboskop/ Quantenkontrolle Selektivität? Umweltsensorik Materialbearbeitung Laser Wakefield Acceleration 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 17 Teilchenbeschleunigung

18 Laser im Alltag ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Wissen, 2. Auflage (2004) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 18

19 LIDAR: Light Detection and Ranging Telemetrie Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 19

20 LIDAR: Mehr als Entfernungsmessung Rückstreuung Analyse von Zeitverlauf des Signals und bestimmter Messgröße Spektrum Intensität Laser Empfänger 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 20

21 Das inverse Problem aus: Bohren, Huffman; Absorption and Scattering of Light by Small Particles,Wiley (1983) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 21

22 LIDAR in der Atmosphäre M.C.W. Sandford, J. Atm. and Terres. Phys. 29 (1967) 1657 G.S. Kent und R.W.H. Wright, J. Atm. and Terres. Phys. 32 (1972) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 22

23 Vulkanasche M.P. McCormick et al., J. Atmospheric Sciences 35, (1978) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 23 Volcan de Fuego, Guatemala Foto: Bill Rose

24 Vulkanasche M.P. McCormick et al., J. Atmospheric Sciences 35, (1978) Okt Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 24

25 DIAL: Schadstoffkonzentrationen Kontrolle von Emissionen und Luftverschmutzung Wellenlänge Prinzip der Differentiellen Absorption K.W. Rothe et al., Appl Phys. 3, (1974) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 25

26 DIAL: Ozonmessungen Ozonschicht schützt vor UV Strahlung Ozonloch Verteilung des Ozons mit der Höhe E.V. Browell, Proc. Workshop on Opt. and Rem. Sensing, Monterey, Feb Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 26

27 LIDAR in der Atmosphäre: Ozon 80er Jahre Aus: ThW, H. Walther; Was ist Licht?, Beck Wissen, 2. Auflage (2004) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 27

28 LIDAR Ozonprofilmessung DWD-Hohenpeissenberg - Routineozonprofilmessungen (seit 1987) Resultate UV Absorptions-DIAL 50 altitude [km] /18. Januar 2002 Lidar Sonde ozone [1010 cm-3] Courtesy of Dr. Steinbrecht, Deutscher Wetterdienst, Hohenpeissenberg 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 28

29 fs-lidar: Plasmakanäle als Weisslichtquelle zur Fernerkundung Courtesy of J.P. Wolf, L. Wöste, R. Sauerbrey lyon1.fr/teramobile.html 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 29

30 fs-lidar II: Blitzableiter 3m Courtesy of J.P. Wolf, L. Wöste, R. Sauerbrey lyon1.fr/teramobile.html 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 30

31 Temperaturverteilung im Ozean Durchmischungszone Charakteristische Schichten Durchmischungszone Sprungschicht Tiefsee Sprungschicht Interessanter Bereich bis ca m Klimaforschung: Ozean Atmosphärenkopplung Ozeanographie: Dynamik der Durchmischungszone Tiefsee Quelle: JOA 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 31

32 Temperaturverteilung im Ozean Charakteristische Schichten Durchmischungszone Sprungschicht Tiefsee Interessanter Bereich bis ca m Klimaforschung: Ozean Atmosphärenkopplung Ozeanographie: Dynamik der Durchmischungszone Kontaktbasierte Messverfahren Berührungsloses Verfahren wünschenswert (Brillouin LIDAR) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 32

33 Brillouinstreuung einfallender Strahl gestreutes Licht Warum tritt der Effekt auf? gestreutes Licht Dichtefluktuationen, die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten Streuung an einem Gitter ähnlich wie bei k' der Kristallbeugung k Doppler-Effekt k' B S, T, =± ks ks 2 n S, T, v S S,T sin 2 s Frequenzverschiebung B = ± 7.5 GHz Dichtefluktuationen = Schallwellen 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 33

34 Anforderungen Gepulster, stabiler Laser Spektrale- und zeitliche Auflösung des Detektionssystems Laserpuls Wasseroberfläche Zeit 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 34 Gestreutes Licht: Zeit Verschiebung

35 Labor -Ozean Photo: Andreas Buhr 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 35

36 Status und Ergebnisse Prinzipielle Funktionsweise gezeigt Lichtquelle erfüllt Anforderungen Tiefenaufgelöste Messungen möglich K. Schorstein, ThW, Appl. Phys. B, im Druck (2009) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 36

37 Zeit "Zeit ist, was verhindert, dass alles auf einmal passiert!" (John A. Wheeler) Der Laser als Uhr? Was ist eine Uhr? Vergleich einer Zeitdauer mit dem Ticken einer Uhr Je kürzer das Ticken desto höher die Genauigkeit der Uhr Je länger ich das Ticken beobachte, desto genauer kenne ich es Zur Messung der Genauigkeit, werden mehrere Uhren gebraucht. 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 37

38 Historie: Uhren Vergleich von Zeitdauern Mit astronomischen Vorgängen z.b. Dauer eines Jahres Dauer des Tages Sonnenuhr Mit reproduzierbaren Vorgängen Sanduhr Wasseruhr Pendeluhren Wasseruhren (Beispiel: Su Sung Wasseruhr, 1090) 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 38

39 Ungenauigkeit (s/tag) Entwicklung und Genauigkeit der Uhren Jahr S. A. Diddams, J. C. Bergquist, S. R. Jefferts, C. W. Oates, Science 306 (2004) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 39

40 1955: Erste Atomuhr Louis Essen 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 40

41 Sekunde Definition der Sekunde seit 1967: Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs-133 entsprechenden Strahlung Hz 133 Cäsium Bild: NIST 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 41

42 Warum noch genauer? GPS Basiert auf Synchronisation von Uhren Laufzeit Effekte der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie müssen berücksichtigt werden Datenraten in der Telekommunikation Test fundamentaler Theorien Quantenelektrodynamik Allgemeine Relativitätstheorie Konstanz der Naturkonstanten Hatten sie schon immer den Wert, den wir heute beobachten? Geodäsie 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 42

43 Wie funktioniert eine Atomuhr? Mikrowellengenerator wird auf Übergang im Cs stabilisiert Lange Flugstrecke = lange Beobachtungszeit Beispiel: Cs-Uhr Quelle: PTB 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 43

44 Wo hilft der Laser? Fangen und Kühlen ermöglicht lange Beobachtungszeiten Magneto-Optische Falle: Neutrale Atome NIST Paulfalle: Ionen NIST 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 44 Innsbruck

45 Reduktion in der Größe Bild: PTB Springbrunnenuhr Bild: NIST 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 45

46 Bestandteile einer Atomuhr Referenz Atomarer Übergang mit hoher Frequenzschärfe Oszillator Wird stabil und resonant zum Übergang gehalten Messung Oszillatorfrequenz wird gemessen (Länge des Tickens ) Bisher: Referenz: Übergang in Cäsium Oszillator: Mikrowellengenerator Messung: herkömmliche Hochfrequenzmessung 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 46

47 Wo bringt der Laser Vorteile? Voraussetzung Reproduzierbarkeit Signal-Rausch -Verhältnis (deutliche Signale) Entscheidende Grösse Fraktionelle Unsicherheit = f f Je kleiner die fraktionelle Unsicherheit, desto genauer die Uhr Mögliche Strategien: Erniedrigung der Unsicherheit der Frequenzmessung Δf Hohe Auflösung (lange Beobachtungszeit, hohe Präzision) Meta-stabile Zustände (lange Lebenszeit, d.h. meta-stabile Zustände) Erhöhung der Übergangsfrequenz f Optische Frequenzen Mögliche Kandidaten (Auszug): Yb, Sr, Hg, Al+, Mg+, Hg+, Yb+, Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 47

48 Darmstadt: Ziel Gitterfalle mit neutralem Hg MOT Gitteruhr 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 48

49 Metrologie: Frequenzkette Th. Udem, R. Holzwarth, T.W. Hänsch, Physik Journal Nr. 2 (2002) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 49

50 Nobelpreis 2005: Frequenzkamm 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 50

51 Metrologie: Frequenzkette Th. Udem, R. Holzwarth, T.W. Hänsch, Physik Journal Nr. 2 (2002) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 51

52 Warum nicht die Frequenz direkt messen? Derzeitiger Zeitstandard Frequenz: ca. 9 GHz = Hz Optische Frequenzen Übergang: ca THz = Hz Laser 1 Laser 1 Laser 2 Heterodyn-Verfahren 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 52

53 Heterodyn-Messung: Schwebungsfrequenz A. Javan, Februar Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 53

54 Strahlung eines Lasers Longitudinalmoden: n=1 n=2 n=3 n =L 2 Frequenzabstand aufeinander folgender Moden: c FSR= 2L FSR n=20 Frequenz 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 54

55 Modenkopplung Modenkopplung: kurze Pulse in regelmäßigen Abständen Laserpuls läuft im Resonator um Spektrum besteht aus Frequenzkamm (den Moden des Resonators) Zeit in T=L/c 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 55

56 Fouriertransformation Fouriertransformation Frequenz 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 56

57 Messung einer optischen Frequenz f? Frequenzkamm: f m =m f rep f offset Frequenz Messung: f rep Schwebung zwischen f m und f? f m =m f rep f offset Messung von m durch herkömmliche Methoden Messung von f offset? 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 57

58 Kerr-Effekt: Verbreiterung des Kamms Th. Udem, R. Holzwarth, T.W. Hänsch, Physik Journal Nr. 2 (2002) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 58

59 Output eines Frequenzkamms Courtesy: T.W. Hänsch 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 59

60 Spektrum Courtesy: T.W. Hänsch 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 60

61 Metrologie: Frequenzkamm über eine Oktave Oktave Frequenz f m =m f rep f offset f 2m =2 m f rep f offset 2ω 2 f m=2 m f rep 2 f offset 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 61 Schwebung 2 f m f 2m f offset

62 Frequenzkamm Courtesy: T.W. Hänsch 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 62

63 Die komplette Uhr Oszillator Referenz Messen S. A. Diddams,* J. C. Bergquist, S. R. Jefferts, C. W. Oates, Science 306 (2004) Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 63

64 Status der optischen Uhren e Di ue e n en r h U n e t s ue a en g d n i s 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 64 ls a r di e Z e s t ei t. s lb Sr Al+

65 Genauigkeit Optische Uhren seit März 2008 genauer als Cs Zeitstandard Bedeutung der Genauigkeit Sekunde in 3 Millionen Jahren 1 Sekunde in 31 Millionen Jahren 1 Sekunde in 317 Millionen Jahren 1 Sekunde in 3 Milliarden Jahren 1 Sekunde in 31 Milliarden Jahren Herausforderungen: Vergleich der Uhren Synchronisation über weite Distanzen Gravitationseinflüsse Al+- Uhr, NIST 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 65

66 Zusammenfassung Universalgerät in Forschung, Entwicklung und Alltag Grundlagenforschung braucht Zeit Messgerät Produktion LIDAR Fernerkundung in der Umweltsensorik Atmosphäre Ozean Laser als Uhr Unglaubliche Präzision Ort der Uhr muss bekannt sein Jahre Laser 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 66

67 10. Juli 2009 Thomas Walther Laser und Quantenoptik IAP TU Darmstadt 67