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Donnerstag, 16. November 2017, Ausgabe Nr. 46

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Messtechnik

Die Vermessung von Licht

Von Bettina Reckter | 23. März 2017 | Ausgabe 12

Licht zu messen, war praktisch unmöglich – bis Forscher um den Nobelpreisträger Theodor Hänsch den optischen Frequenzkamm entwickelten.

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Foto: Menlo Systems

Kundenschulung vor Ort: Vertriebsingenieure helfen beim Einrichten der optischen Frequenzkammtechnologie im Betrieb und begleiten bei Bedarf Messkampagnen.

Anfangs füllte der technische Aufbau noch mehrere Räume aus. Heute passt er von den Abmessungen her in ein normales HiFi-Rack. Es ist das genaueste Messgerät der Welt, das Michael Mei und Ronald Holzwarth von der Menlo Systems GmbH in Martinsried bei München entwickelt haben. Denn es ist in der Lage, die Frequenz von Licht exakt zu erfassen – was eigentlich nicht geht, weil Licht mit mehreren Hundert Billionen Schwingungen pro Sekunde schwingt. Und dieser Größenordnung ist an sich kein elektronisches Messsystem gewachsen.

Menlo Systems GmbH

„Mit unserer optischen Frequenzkammtechnologie aber lässt sich die Anzahl der Lichtschwingungen pro Sekunde genau ermitteln. So können unsere Kunden dann ihre Laser vermessen oder kalibrieren“, erklärt Mei, Geschäftsführer des Unternehmens, das seit 2002 am Innovations- und Gründerzentrum Biotechnologie (IZB) in Martinsried angesiedelt ist. Kunden, das sind Industrieunternehmen und Forschungslabors, aber auch öffentliche Einrichtungen, die sehr präzise messen müssen wie nationale Eich- und Messinstitute.

Die Idee zu der Frequenzkammtechnologie geht auf den Physiker Theodor Hänsch zurück. Der hatte mit seinem Team, zu dem auch Mei und Holzwarth gehörten, am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München den Grundstein für einen optischen Synthesizer gelegt und 2005 dafür den Nobelpreis für Physik erhalten. Dabei dient ihm ein Femtosekundenlaser, der ultrakurze Pulse erzeugt, als optisches Getriebe. Aus kurzen Lichtpulsen bildet sich so ein Lichtspektrum, das wie die Zinken bei einem Kamm aus Hunderttausenden scharfer Spektrallinien mit einem festen Frequenzabstand besteht.

Foto: Menlo Systems

Ronald Holzwarth und Michael Mei (r.), CTO und CEO von Menlo Systems, brachten die ersten optischen Frequenzkämme auf den Markt.

Ein solcher Frequenzkamm dient dann quasi als Lineal: Soll die Frequenz einer bestimmten Strahlung ermittelt werden, so vergleicht man sie mit den extrem scharfen Spektrallinien des Kammes, bis man die „passende“ findet. Physiker sprechen hier von einer Schwebung. Die kennt man auch aus der Akustik: Erklingen zwei Töne, deren Frequenzen sich nur wenig voneinander unterscheiden, so ist ein Ton zu hören, dessen Frequenz dem Mittelwert der Frequenzen beider Töne entspricht und dessen Lautstärke mit der Schwebungsfrequenz schwankt. Dabei entspricht die Schwebungsfrequenz der Differenz der Frequenzen der beiden Töne. Beim optischen Frequenzkamm passiert dasselbe. Dabei nutzt man aus, dass die Schwebungsfrequenz der beiden optischen Signale im Radiofrequenzbereich liegt – und sich damit sehr einfach erfassen lässt.

 Mei und Kollege Holzwarth, der Technikchef bei Menlo Systems ist, erkannten die Tragweite der Forschungen von Theodor Hänsch – und mit dem berühmten Physiker im Rücken gründeten sie Menlo Systems aus dem Max-Planck-Institut aus. Und innerhalb von nur sechs Monaten gelang es den beiden, ein erstes Frequenzkammgerät auf den Markt zu bringen.

 „Kein anderes Gerät weltweit erlaubt eine ähnliche Messgenauigkeit“, ist Mei überzeugt. „Unsere Stärke liegt darin, dass wir die absolute Frequenz jeder dieser Spektrallinien sehr genau einstellen können.“ Die Messung an sich ist relativ einfach: Man überlagert einen Teil des Laserlichts mit einer Referenzlinie, die man sehr genau kennt.

Mittlerweile bietet die Firma Menlo Systems drei Produktlinien an: optische Frequenzkämme, Terahertzsysteme sowie Femtosekundenfaserlaser. „Der Frequenzkamm ist selbstverständlich unser Hauptprodukt, da sind wir Nummer eins weltweit“, meint Mei. Verglichen mit der Industrie für Consumer-Produkte sei es zwar ein hoch spezialisierter Nischenmarkt – der aber sei deutlich größer als das, was Menlo derzeit bedienen kann.

Im Bereich Spektroskopie sehen Mei und Holzwarth ebenfalls einen Wachstumsmarkt für ihren hoch präzisen optischen Frequenzkammsynthesizer, denn in Industrie und Forschung müssen häufig chemische Stoffe und Spurengase exakt analysiert oder die Strukturen von Molekülen und Atomen erforscht werden. Neben der Qualitätskontrolle geht aber auch in der Produktion künftig ohne Laser eigentlich nichts mehr. Sie helfen in der Materialbearbeitung beim Schneiden, Gravieren, Sintern und Fügen, etablieren sich zunehmend aber auch in der Mess- und Prüftechnik.

Die nationalen Eich- und Messinstitute gehören deshalb zum Hauptkundenkreis von Menlo Systems. In Deutschland ist das die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, die für die Bereitstellung der Maßeinheiten verantwortlich ist. „Die PTB nutzt beispielsweise Frequenzkämme bei der Realisierung und Weitergabe der Längeneinheit Meter, aber auch bei Forschungs- und Entwicklungsaufgaben rund um dem Themenbereich Zeit und Frequenz. Hierbei geht es um die Entwicklung noch genauerer Uhren, sogenannter optischer Uhren, und um die optische Frequenzübertragung mittels Glasfasern“, berichtet Mei. So wird heute die Definition dessen, was genau eine Sekunde ist, vom Cäsium-Atom abgeleitet, das mit einer Radiofrequenz von 9 GHz schwingt. Man spricht deshalb auch von der „Cäsium-Atomuhr“.

Optische Uhren im Weltall könnten die Satellitennavigation revolutionieren und die Synchronisierung von Datennetzen verbessern. Selbst Erzlagerstätten könnten mithilfe solch präziser Uhren nachgewiesen werden, weil deren Masse winzigste, aber mit dieser Technologie messbare Veränderungen im Ablauf der Zeit verursachen.

Wirtschaftsunternehmen nutzen den Frequenzkamm, um Maschinen zu kalibrieren und zu synchronisieren. Forschungsinstitute setzen ihn für sehr genaue Entfernungsmessungen über große Distanzen hinweg ein.

Spannend wird es, wenn Teleskope kalibriert werden. Observatorien in Deutschland, den USA und in China setzen auf die Technologie von Menlo Systems – und auch das Observatorium der Europäischen Südsternwarte (ESO) auf dem Berg La Silla nördlich von Santiago de Chile. Hier hilft der Frequenzkamm, um das Licht von entfernten Sternen zu detektieren, um Exoplaneten aufzuspüren.

Immer, wenn es exakt werden muss, kommt die Martinsrieder Laserschmiede ins Spiel. Hier wurden die ersten kommerziellen optischen Frequenzkämme weltweit gebaut. Je nach Anwendungsfall liegen die Kosten für die Lasertechnik zwischen 100 000 € und 1 Mio. €. Das 2001 gegründete Unternehmen, das seit 2002 seinen Stammsitz in Martinsried hat, beschäftigt gut 100 Mitarbeiter.

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