Nominee 2001

Optischer Frequenzkamm

Ultrapräzise Synthese und Messung optischer Frequenzen – Optischer Frequenzkamm setzt Maßstäbe für Raum und Zeit

Prof. Dr. rer. nat. Theodor Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
Ludwig-Maximilians-Universität, München

Prof. Dr. rer. nat. Theodor Hänsch

Licht ist die Basis der modernen Kommunikationssysteme. Doch bisher gelang es nicht, die Frequenz der verwendeten Lichtwellen präzise zu bestimmen. Wie lässt sich dieser Hemmschuh für den Einsatz optischer Technologien beseitigen?

Die Antwort lieferte Theodor Hänsch - mit einem neuartigen Messverfahren: dem optischen Frequenzkamm. Theodor Hänsch ist Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Professor an der Münchner Ludwig-Maximilians-Universität. Außerdem ist er als Wissenschaftlicher Berater an der Stanford University in denn USA tätig.

Ein Teil des Potenzials blieb ungenutzt

Mit Laserlicht lassen sich winzige Abstände bestimmen, die Zeit messen und die Inhalte von Internetseiten via Glasfaser um die halbe Welt schicken. Allerdings: Das gesamte Potenzial solcher Anwendungen von optischer Technologie konnte man bisher nicht ausschöpfen.

Denn für das Licht gab es - anders als etwa für Radiowellen - keine Möglichkeit, die Frequenz auf praktikable Weise direkt zu messen. Die Arbeitsgruppe um Theodor Hänsch erzielte auf elegante Weise einen Durchbruch bei der Lösung dieses Problems.

Die Forscher nutzten dazu einen kompakten modengekoppelten Femtosekundenlaser - also einen Laser, der Lichtblitze von wenigen Billiardstelsekunden (Femtosekunden) Dauer aussendet. Sie konnten zeigen, dass ein solcher Laser gleichzeitig Hunderttausende von scharfen Laserlinien - Licht mit unterschiedlichen Frequenzen - erzeugen kann. Dieser optische Frequenzkamm erstreckt sich über den gesamten sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich. Die Frequenz jeder einzelnen Linie des Kamms lässt sich mit Radiofrequenz-Methoden extrem genau bestimmen.

Neue Möglichkeiten für Wissenschaft und Navigation

Die neue Messtechnik ermöglicht sowohl fundamentale physikalische als auch praktische Anwendungen. So können die Wissenschaftler damit die Längeneinheit Meter erstmals so bestimmen, wie sie 1983 definiert wurde: Demnach ermittelt man die Wellenlänge eines Lasers in Metern, indem man die Lichtgeschwindigkeit durch die gemessene Lichtfrequenz dividiert. Technisch wird zum Beispiel die Entwicklung neuartiger Atomuhren möglich: Diese Zeitmesser setzen als „Pendel“ Atome ein, die mit der Frequenz von Licht schwingen und deren Genauigkeit die Präzision der besten herkömmlichen Uhren um das Tausendfache übertrifft. Sie können die Positionsbestimmung per Satelliten-Navigationssystem verbessern. Besonders viel versprechende Perspektiven eröffnen optische Frequenzkämme für die Nachrichtentechnik, wo sie die Übertragungskapazität von Glasfaserleitungen durch eine dichtere Belegung mit Kommunikationskanälen deutlich erhöht.

Inzwischen haben Hänsch und seine Mitarbeiter vier deutsche und internationale Patente angemeldet. Im Juli 2001 gründeten sie die Menlo Systems GmbH, um diese Patente kommerziell zu verwerten.

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt "Ultrapräzise Synthese und Messung optischer Frequenzen" wurde von der Max Planck Gesellschaft vorgeschlagen.

Nachtrag
Prof. Dr. rer. nat. Theodor Hänsch erhielt 2005 gemeinsam mit dem amerikanischen Forscher John L. Hall den Nobelpreis für Physik.
Die schwedische Akademie der Wissenschaften würdigt damit den Beitrag der beiden Physiker zur Entwicklung der laserbasierten Präzisionsspektroskopie, mit deren Hilfe die Farbe des Lichts von Atomen und Molekülen extrem genau bestimmt werden kann.

Weitere Details

Lebensläufe

Prof. Dr. rer. nat. Theodor Hänsch

Prof. Dr. rer. nat. Theodor Hänsch

30.10.1941
geboren in Heidelberg, Baden-Württemberg
1961
Abitur
1961 – 1966
Studium der Physik an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Diplom
1966 – 1969
Promotion
1969 – 1970
Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, Institut für angewandte Physik
1970 – 1972
Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei A.L. Schawlow, Stanford Universität, USA
1972 – 1975
Associate Professor für Physik an der Stanford Universität, USA
1975 – 1986
Professor für Physik an der Stanford Universität, USA
1978
Gastprofessor, Collège de France, Paris
1979
Gastprofessor, Universität Kyoto, Japan und an der Universität Florenz, Italien
1982
Gastprofessor, Fudan Universität Shanghai, China
seit 1986
Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching, und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München
seit 1988
Wissenschaftlicher Berater an der Stanford Universität, USA
1992
Gastprofessor, Ecole Normale Superieure, Paris
1993 – 1996
Geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching
1994
Gastprofessor, University of California, Berkeley, Emilio Segré Distinguished Lecturer
1999
Gastprofessor, Massachusetts Institute of Technology, Richard C. Lord Lecturer
2000
Gastprofessor, Scuola Normale, Pisa, Enrico Fermi Lecturer
2001
Gastprofessor, Caltech, Pasadena, Kalifornien, USA, Gordon Moore Distinguished Scholar und an der University of Colorado, Boulder, USA, JILA Distinguished Visitor

Ehrungen:

1973
California Scientist of the Year, California Museum of Science and Industry; Fellow, American Physical Society (APS); Fellow, Optical Society of America (OSA); Alfred P. Sloane Research Fellow
1977
Alexander von Humboldt-Forschungspreis
1980
Otto Klung-Preis, Freie Universität Berlin
1983
Cyrus B. Comstock Prize, U.S. National Academy of Science; Herbert P. Broida Prize (APS); Fellow, American Academy of Arts and Sciences
1985
William F. Meggers Award
1986
Michelson Medal, Franklin Institute, Philadelphia
1987
Italgas-Preis für Forschung und Innovation, Italgas, Turin
1988
Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis, Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
1989
Internationaler König Faisal-Preis für Wissenschaft, Saudi Arabien
1991
Mitglied der Bayerischen Akademie der Wissenschaften
1995
Einstein Medal for Laser Science
1996
Arthur L. Schawlow Prize for Laser Science (APS)
1998
Philip Morris Forschungspreis (Atomuhr)
2000
Stern-Gerlach-Medaille, Deutsche Physikalische Gesellschaft Philip Morris Forschungspreis (Atomlaser); Arthur L. Schawlow Award (Laser Institute of America)
2001
Auswärtiges Mitglied der U.S. National Academy of Sciences; Quantenelektronik- und Optik-Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft

Kontakt

Projektsprecher

Prof. Dr. rer. nat. Theodor Hänsch
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 (0) 89 / 32 90 57 02
Fax: +49 (0) 89 / 32 90 53 12
E-Mail: t.w.haensch@mpq.mpg.de

Pressekontakt

Dr. Dag Schiöberg
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 (0) 89 / 32 90 52 13
Fax: +49 (0) 89 / 32 90 52 00
E-Mail: mpq-info@mpq.mpg.de

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.

Informationen und Kontakt zum Deutschen Zukunftspreis unter:

E-Mail: info@deutscher-zukunftspreis.de
Internet: www.deutscher-zukunftspreis.de

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

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