Fizikai Szemle honlap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2006/3. 91.o.

OPTIKAI FREKVENCIAMETROLÓGIA, AVAGY MIRE JÓK A FREKVENCIAFÉSŰK?

Dombi Péter
MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet

Amikor a Nobel-díj kihirdetést követő órákban a kísérleti munkájáért díjazott Theodor Hänsch német tudósnak szegezték azt az újságírói kérdést, hogy miért is nyerhette el ezt a kitüntetést, tömören és szerényen (és mellesleg teljesen helytállóan is) úgy fogalmazott: "Nagyon pontos méréseket végeztem ...."Ő John Hall amerikai fizikussal megosztva kapta a díj felét a "lézeralapú precíziós spektroszkópiában" elért eredményekért, az "optikai frekvenciafésű- technikát is beleértve". Sokan esetleg már arról is értesültek, hogy a frekvenciafésűk a femtoszekundumos fényimpulzusokat kibocsátó lézerekre épülnek. Talán nem árt a következőkben ezekre az összefüggésekre pontosabban is rávilágítani annak kapcsán, hogy mik is ezek a különleges nevű eszközök, nem megfeledkezve a szép számban rendelkezésre álló érdekes alkalmazásokról és magyar vonatkozásokról sem.

Femtoszekundumos lézerek

Mindenki látott már szivárványt vagy egy egyszerű üvegprizmán való áthaladáskor spektrális komponenseire bomló napfényt. A mindennapi lézerekről viszont legtöbbször a monokromatikusság jut eszünkbe: a vonalkódleolvasók és lézeres kulcstartók vörösétől kezdve a lézershow-k zöld színéig sokféle tiszta színű lézerfénnyel találkozhatunk mindennapjainkban is. Az utóbbi évek lézerfejlesztései viszont lehetővé tették azt is, hogy bizonyos laboratóriumi lézerek a Nap sugárzásához hasonló, közel fehér (vagyis nagyon széles színskálát magában foglaló) sugárzást bocsássanak ki. Ismert, hogy a különböző hullámhosszak különböző fotonenergiáknak felelnek meg, tehát az ilyen lézerek fényét úgy is tekinthetjük, mint amit nagyon nagy (foton)energia-határozatlanság jellemez. Ezek után az sem meglepő, hogy az ilyen lézerek nem folytonos, hanem nagyon rövid ideig tartó, femtoszekundumos fényfelvillanásokra, lézerimpulzusokra korlátozódó sugárzást adnak.

1. ábra

És ezen a ponton rögtön meg is kell emlékeznünk a legutóbbi fizikai Nobel-díj egy magyar vonatkozásáról: az ilyen ultragyors szilárdtestlézerek fejlesztésében egy 1994-es újítás is kulcsszerepet játszott: az MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézetében találták fel azokat az - attól fogva világszerte, így a Nobel-díjas kutatásokhoz igénybe vett lézerekben is felhasznált - speciális, fáziskorrigáló (angolul chirped, s magyarul is néha "csörpölt") tükröket, melyek azután lehetővé tették 10 fs-nál is rövidebb, mindössze 1-2 optikai ciklusból1 álló lézerimpulzusok előállítását. Az ilyen tükrökre épülő lézereket joggal tekinthetjük tehát a Nobel-díjas mérésekhez felhasznált műszerek előfutárainak.

Frekvenciafésűk és ultrapontos mérések

Tovább árnyalja a helyzetet, hogy ezek a femtoszekundumos, úgynevezett módusszinkronizált lézerek a fényimpulzusokat periodikusan, több tucat MHz-es ismétlési frekvenciával adják. Egy ilyen tipikus impulzusvonulatot ábrázol az 1. ábra. Az elektromágneses tér ilyen lefutásának frekvenciatartománybeli képe (vagyis a lézer spektruma) egy frekvenciafésű: a széles burkoló alatt - amely a vonulatbeli impulzusok extrém rövidsége miatt felölelheti akár a teljes látható tartományt is - diszkrét, egyenközű fésűfogak jelennek meg az impulzusok periodikus ismétlődése miatt. A fésűfogak távolsága pedig fix és éppen az fr ismétlési frekvenciával egyenlő. Így tehát akár egy pontos frekvenciareferencia is keletkezhetne, ha a struktúrát egyedül fr határozná meg, hiszen ez a paraméter a lézerrezonátor hosszának függvénye, amit bevett módszerekkel stabilizálni lehet. Van viszont még egy paraméter, mégpedig a teljes frekvenciafésű ofszetje (2. ábra, fceo), amely nagyon érzékenyen reagálhat bármely, lézerrezonátorbeli termikus vagy mechanikai fluktuációra, vagy akár a femtoszekundumos lézert pumpáló másik, általában folytonos lézer teljesítményzajára. Az ebből származó fluktuáció, vagyis a frekvenciafésűnek a fix spektrális burkoló alatt történő fel-alá vándorlása (2. ábra) mind ez idáig nemigen zavarta az ilyen lézerek felhasználóit, hiszen egy ilyen zaj mellett a lézerimpulzusok időtartománybeli képe meglehetősen változatlan marad (pontosabban szólva az ismétlési frekvenciát és az impulzusok időbeli burkolójának lefutását ez nem befolyásolja). Hiperpontos spektroszkópiára, frekvenciamérésre viszont nyilvánvalóan alkalmatlan egy ilyen zajos, fel-alá mozgó frekvenciafésű. Az eddigieket tehát matematikai alakba öntve: az n-edik fésűfog pozícióját az fn = nfr + fceo egyenlettel lehet leírni, ahol n egy nagy természetes szám, és a fentiek alapján fceo jelentős zajjal terhelt is lehet. Az fceo ofszet stabilizálását viszont megnehezíti az a tény, hogy nem lehet közvetlenül mérni: a 0 frekvencia közelében nincs jel (2. ábra).

2. ábra

A Nobel-díjasokat viszont nem tántorította vissza ez a tény, és nem adták fel azt, hogy valaha egy ilyen, spektrális tartománybeli vonalzó segítségével frekvenciát, hullámhosszat mérhessenek. A lézertechnológia fejlődése azonban csak 4-5 éve tette lehetővé azt a lépést, ami - az erre épülő alkalmazásokkal együtt - mostanra már Nobel-díjat is ért. Az alapötlet a következő volt: az optikában már a lézerek félévszázada történt megjelenése óta ismert a frekvenciakétszerezés: megfelelő nemlineáris kristályokban például800 nm-es vörös fényből400 nm-es kék fényt lehet előállítani. Ha a frekvenciafésűnkön hajtjuk ezt végre, akkor a spektrális tartományban egy másodharmonikus frekvenciafésű- másolat jelenik meg (3. ábra), 2(nfr + fceo)-nál elhelyezkedő fésűfogakkal. Ha ezen felül az eredeti fésű oktáv szélességű, akkor a másodharmonikus fésű alacsony frekvenciás vége átfed az eredeti nagyfrekvenciás végével, és az átfedési tartományban a két fésűből származó fogak közti lebegési frekvencia éppen az eredeti fésű ofszetjével lesz egyenlő, mint azt egyszerűen ellenőrizni is tudjuk a 2(nfr + fceo) - (2nfr + fceo) =  fceo egyenletből. Miután ez a frekvencia 0 és fr között van, ezért ez elektronikus eszközökkel feldolgozható, és a lézeroszcillátorba vissza lehet csatolni egy olyan hibajelet, mellyel az oszcillátor ezen utolsó, kontrollálatlan paramétere is szabályozhatóvá válik.

3. ábra

Ha pedig ilyen módon adott már egy fix frekvenciafésű, akkor ultrapontos méréseket sem nehéz már végezni: csak annyit kellene tudni, hogy mely két fésűfog között van a mérendő spektrumvonal (ez a körülbelüli érték klasszikus spektroszkópiai módszerekkel könnyedén meghatározható), majd a két szomszédos fésűfoghoz viszonyított lebegési frekvencia (amely néhány MHz-es, a rádiófrekvenciás tartományba eső, vagyis nagyon pontosan mérhető jel) meghatározásával már igen nagy pontossággal is meg lehet állapítani a mérendő spektrumvonal helyét. Egy ilyen fix, referenciavonalakat adó fényforrást talán indokoltabb is lenne (a bevettebb) a frekvenciafésű helyett inkább frekvenciavonalzónak nevezni: ahogy egy hagyományos vonalzóval pontos távolságok mérhetők, úgy ezzel az eszközzel tiszta színek, vagyis: hullámhosszak, frekvenciák. Ezen az alapon azután el is végeztek néhány nagyon pontos mérést, egy csapdázott higanyion egy optikai elektronátmenetének frekvenciáját például 1064721609899143 (±10) Hz-nek mérték, vagyis a bizonytalanság mindössze 10-14-es mértékű. Persze optikai spektrumvonalak egzakt helyét 4-5 évvel ezelőttig is meg tudták állapítani, csakhogy ennél több nagyságrenddel pontatlanabbul és több tucatszor drágább eszközparkkal. A Nobel-díjjal jutalmazott munka azonban a világszerte létező 4-5 nagy, nemzeti szabványügyi laboratórium után egyetemi kutatócsoportok számára is lehetővé tette az optikai tartománybeli ultrapontos frekvenciamérést.

4. ábra

A frekvenciafésűk további alkalmazásai a kozmológiában és az időmérésben

A módszert felhasználva megtörtént az első jelentős alkalmazás is, amelynek során Theodor Hänsch csoportja azt vizsgálta meg, hogy valóban állandók-e a fizikai állandók. Már eddig is létezett ugyanis pár olyan egzotikus kozmológiai elmélet, amely feltételezte, hogy a konstansok lassan ugyan, de időben változhatnak - ezeket a teóriákat kellett hát valamiképpen tesztelni. Vannak olyan spektrumvonalak (pl. a hidrogénspektroszkópiában), amelyek egyszerű kapcsolatban állnak fizikai állandókkal (pl. az elektron töltésével és a Planck-állandóval). A spektrumvonal helyének precíz meghatározásával tehát tulajdonképpen ezek a konstansok is extrém pontosan mérhetők. Nincs is más teendő, mint a frekvenciafésűk segítségével néhány évenként kimérni ezen vonalak helyét. Aggodalomra azonban mindeddig semmi ok: a négyéves időközzel megismételt méréspárban úgy találták, hogy az észlelt elmozdulás még a nagyon alacsony mérési hibahatáron is belül van, tehát a konstansok jelenleg állandóaknak tűnnek ....

Persze azon túl, hogy egzotikus elméletekhez szolgáltattak adalékot, a közeljövőben sokkal hétköznapibb alkalmazásokhoz is hozzájárulhatnak az ilyen lézerek. Egy ilyen tipikus terület pedig az időmérés. Minden óra két részből áll ugyanis: egyrészt egy pontosan ismert frekvenciával periodikusan ismétlődő eseményből (pl. a napóránál a Föld tengely körüli forgásából, a kvarcóránál egy kvarckristály oszcillációiból), másrészt egy számlálóból, amely ezeket a periodikusan bekövetkező eseményeket számlálja. Belátható, hogy minél nagyobb frekvenciával ismétlődő eseményeket választunk az óra alapjául, annál pontosabban tudunk időt mérni: egy cézium-atomóra (ahol egy mikrohullámú atomi átmenet frekvenciáját számlálják) tízmilliárdszor pontosabbá tehető, mint például egy ingaóra. A látható fény frekvenciája azonban még a már ötven éve a csúcstechnológiát jelentő atomórákban felhasznált frekvenciáknál is legalább negyvenezerszer nagyobb, ezen az alapon tehát több nagyságrenddel pontosabb óra is építhető, ráadásul lényegesen kompaktabb eszközökkel. Ez a jövőben akár az atomórákat is túlszárnyaló, optikai tartománybeli frekvenciára épülő másodperc-definíciót tehet lehetővé, s potenciális gyakorlati alkalmazásokat sem nehéz találni: például ezen az alapon a globális helymeghatározást (GPS-t) is tovább lehetne fejleszteni, ahol a térbeli pontosság növelése éppen az időmérés pontosabbá tételével érhető el.

A frekvenciafésűkhöz használt lézertípus azonban más, érdekes alapkutatási kérdésekben is hozott már újat: a már jól ismertnek hitt és tudománytörténetileg is jelentős fémfelületi fotoelektron-emisszió egy új arcát sikerült nemrég kísérletileg is kimutatnunk a segítségükkel (részben szintén Theodor Hänsch csoportjával való együttműködésben). Az utóbbi években pedig az attoszekundumos (1 as = 10-18 s) alkalmazások is egyre nagyobb publicitást kaptak: Farkas Gyozo (MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutatóintézet) 1991-es javaslata alapján néhány éve sikerült 250 attoszekundumos röntgenimpulzusokat is előállítani Krausz Ferenc akkor még bécsi csoportjában (jelenleg: Kvantumoptikai Max Planck Intézet, Garching), aki ezen eredményei kapcsán név szerint is szerepel a Nobel-díjról kiadott hivatalos anyagban. Attoszekundumos impulzusokkal, melyek jelenleg az ember által kontrollálhatóan előállítható legrövidebb elemi események, szintén nagyon pontos méréseket lehet végezni, bár kicsit másképp, mint a frekvenciafésűkkel: a természetben lejátszódó leggyorsabb folyamatok időbeli lefutásáról nyerhetünk információt. Ezt a módszert már fel is használták atomok belső elektronhéjain lezajló atomfizikai folyamatok vizsgálatához. A közeljövőben pedig ilyen kísérletekkel talán választ kaphatunk arra a kérdésre is, hogy miként lehetne elég nagy fényerejű, a lézerekhez hasonló, viszont a röntgentartományban működő fényforrásokat létrehozni, melyekkel az orvosi/biológiai képalkotási eljárásokat lehetne forradalmasítani és a vizsgált személyek és minták sugárterhelését lényegesen csökkenteni. Az attoszekundumos alkalmazásokról azonban a Fizikai Szemle 2002. évi 1. számában már megjelent egy kimerítő bevezetés.

A femtoszekundumos lézerek és az azokra épülő kísérletek tehát izgalmasabbnak tűnnek, mint valaha, és biztos vagyok abban, hogy a következő években ilyen fényforrásokkal elért újabb jelentős eredményeknek lehetünk majd szemtanúi.

Irodalom

TH. UDEM, R. HOLZWARTH, T.W. HÄNSCH: Optical frequency metrology - Nature 416 (2002) 233
M. FISCHER ET AL.: New limits on the drift of fundamental constants from laboratory measurements - Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 230802
A. APOLONSKI, P. DOMBI ET AL.: Observation of light-phase-sensitive photoemission from a metal - Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 073902
KRAUSZ FERENC: Atomok és elektronok mozgásban - Fizikai Szemle 52 (2002) 12