Laserdrift: waarom het licht van een laser niet altijd hetzelfde blijft

Stel je een gitaarsnaar voor die perfect gestemd is. Zet de gitaar een paar uur in de zon, en de snaar zet iets uit door de warmte: de toon verschuift, nauwelijks hoorbaar, maar meetbaar met de juiste apparatuur. Met een laser gebeurt iets vergelijkbaars. Het licht van een laser heeft een precieze golflengte (de "kleur" van het licht, uitgedrukt in de afstand tussen twee golftoppen) en een precieze fase (het exacte moment waarop de golfbeweging van het licht op- en neergaat). Laserdrift is de langzame, ongewenste verschuiving van die eigenschappen door warmte, trillingen of veroudering van onderdelen.

Voor de laser in een cd-speler, een barcodescanner of een laserpointer maakt dat niets uit: die apparaten hebben geen last van een verschuiving die kleiner is dan een miljoenste van een procent. Maar er bestaat een klasse instrumenten die zó gevoelig is dat een piepklein beetje drift het verschil maakt tussen een geslaagde meting en ruis: zwaartekrachtgolfdetectoren, atoomklokken en toekomstige lasercommunicatie- en voortstuwingssystemen voor de ruimte. Voor die technologie is het bestrijden van laserdrift geen bijzaak, maar een van de belangrijkste technische uitdagingen.

Wat is het precies?

Een laser maakt licht door het heen en weer kaatsen van lichtgolven tussen twee spiegels, met daartussen een medium (bijvoorbeeld een kristal of gas) dat het licht versterkt. Die ruimte tussen de spiegels heet de resonator of cavity. De golflengte van het licht dat eruit komt, hangt nauw samen met de exacte afstand tussen die spiegels: verander die afstand met een fractie van een haarbreedte, en de golflengte verschuift mee.

Drift ontstaat door een aantal alledaagse oorzaken. Warmte is de grootste boosdoener: materialen zetten uit en krimpen bij temperatuurschommelingen, waardoor de resonator van lengte verandert. Ook het versterkingsmedium zelf — bijvoorbeeld een laserdiode — veroudert langzaam, waardoor de eigenschappen van het uitgezonden licht geleidelijk veranderen. Mechanische trillingen, bijvoorbeeld van een ventilator, een voorbijrijdende vrachtwagen of zelfs microscopische bodemtrillingen, verstoren de resonator net zo goed. En de elektronica die de laser van stroom voorziet, produceert altijd een beetje ruis, wat zich vertaalt in kleine schommelingen in het licht. Bij lasers die over grote afstanden een precieze richting moeten aanhouden, spelen ook luchtwervelingen in de atmosfeer een rol: dezelfde "trilling" die sterren laat fonkelen, laat een laserbundel millimeters afwijken.

Om drift tegen te gaan, vergelijken onderzoekers het licht van de laser voortdurend met een extreem stabiele referentie: vaak een aparte, zwaar geïsoleerde resonator gemaakt van speciaal glas met een minimale uitzettingscoëfficiënt (het kental dat aangeeft hoeveel een materiaal uitzet bij verwarming), soms zelfs gekoeld tot temperaturen dicht bij het absolute nulpunt om trilling van atomen zoveel mogelijk te bevriezen. Wijkt de laser af van die referentie, dan stuurt een feedback-loop — een elektronisch systeem dat continu meet en corrigeert — direct bij, tientallen- tot duizenden keren per seconde. Een bekende methode hiervoor is de Pound-Drever-Hall-techniek, genoemd naar de natuurkundigen die haar ontwikkelden: kort gezegd wordt aan het laserlicht een heel klein, snel signaal toegevoegd waarmee je uiterst gevoelig kunt meten hoe ver de laser van zijn ideale golflengte afwijkt, zodat je die afwijking meteen kunt wegregelen. Voor de allerhoogste precisie gebruiken laboratoria bovendien een frequentiekam: een soort optische liniaal van duizenden exact bekende golflengtes tegelijk, waarmee je de frequentie van een laser tot in extreem veel decimalen kunt vastleggen en vergelijken.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste reden om laserdrift te bestrijden is dat sommige metingen alleen werken als het licht extreem stabiel blijft. Zwaartekrachtgolfdetectoren meten bijvoorbeeld verplaatsingen die duizenden keren kleiner zijn dan de doorsnede van een proton (het deeltje in de kern van een atoom). Dat kan alleen als de laser die voor de meting wordt gebruikt zelf niet toevallig een beetje "ruist" of verschuift — anders verwar je een echte zwaartekrachtgolf met een storing in je eigen apparatuur.

Hetzelfde geldt voor de nieuwste generatie atoomklokken, die zo nauwkeurig zijn dat ze in miljarden jaren nog geen seconde zouden afwijken. Die klokken werken doordat een laser exact op de juiste golflengte moet "tikken" tegen een atoom om de overgang tussen twee energieniveaus te meten; een drift in die laser vertaalt zich direct in een fout in de klok.

Verder wil men betrouwbare communicatie via laserlicht tussen satellieten en de aarde, wat sneller en met meer capaciteit kan dan traditionele radioverbindingen, maar wel vraagt om een stabiele frequentie en richting over duizenden kilometers. En op langere termijn hopen onderzoekers coherente laserbundels — bundels waarvan de lichtgolven perfect in de pas lopen — te gebruiken om piepkleine lichtzeilen naar andere sterren te versnellen. Ook daarvoor moet drift tussen duizenden samenwerkende lasers worden weggewerkt, anders "vervaagt" de bundel voordat hij zijn doel bereikt.

Voorbeelden uit de praktijk

De LIGO- en Virgo-detectoren, gigantische L-vormige laserinterferometers in de Verenigde Staten en Italië, deden in 2015 de eerste directe waarneming van een zwaartekrachtgolf (GW150914, de botsing van twee zwarte gaten). Die meting was alleen mogelijk dankzij jarenlange ontwikkeling van uiterst stabiele lasers en trillingsisolatie.

Bij metrologie-instituten zoals NIST in de Verenigde Staten, PTB in Duitsland en VSL in Delft worden optische roosterklokken ontwikkeld: atoomklokken op basis van elementen als strontium of ytterbium, gekoeld en vastgehouden in een rooster van laserlicht, waarbij de stabiliteit van de aansturende laser bepalend is voor de nauwkeurigheid van de klok.

De Europese ruimtevaartorganisatie ESA werkt aan LISA (Laser Interferometer Space Antenna), een missie met een geplande lancering rond 2035 waarbij drie ruimtevaartuigen op miljoenen kilometers van elkaar via laserstralen hun onderlinge afstand tot op fracties van een nanometer nauwkeurig meten om zwaartekrachtgolven vanuit de ruimte te detecteren.

Het initiatief Breakthrough Starshot, aangekondigd in 2016, onderzoekt of een gigantisch grondgebaseerd netwerk van duizenden lasers samen één coherente bundel kan vormen, sterk genoeg om piepkleine lichtzeilen richting het sterrenstelsel Alpha Centauri te versnellen tot ongeveer twintig procent van de lichtsnelheid.

Tot slot demonstreerde NASA met de Laser Communications Relay Demonstration, gelanceerd in 2021, laser­communicatie tussen ruimtevaartuigen en de aarde als alternatief voor traditionele radioverbindingen, iets waar ook het Europese datarelaissysteem EDRS van ESA aan werkt.

Hoe ver is de techniek?

De voortgang verschilt sterk per toepassing. Optische atoomklokken presteren inmiddels ongeveer honderd keer nauwkeuriger dan de cesiumklok die momenteel de officiële seconde definieert, maar worden nog niet gebruikt voor die definitie zelf; een herziening van de seconde op basis van optische klokken wordt op zijn vroegst rond 2030 verwacht, mede omdat internationale instituten eerst onderling moeten aantonen dat hun klokken consistent dezelfde tijd meten.

Laserstabilisatie voor zwaartekrachtgolfdetectie is al operationeel en bewezen: LIGO en Virgo doen sinds 2015 regelmatig nieuwe detecties, en de gevoeligheid wordt met elke waarnemingsronde verder verbeterd.

LISA bevindt zich nog in ontwikkeling; het compenseren van laserdrift over een baseline van miljoenen kilometers, zonder de vaste spiegels die grondgebaseerde detectoren gebruiken, is een van de grootste openstaande technische vraagstukken voor het team.

Breakthrough Starshot is het minst ver gevorderd en blijft grotendeels in de onderzoeksfase: het gefaseerd laten samenwerken van een lasernetwerk op de benodigde schaal (denk aan vermogens en aantallen lasers die vele ordes van grootte groter zijn dan wat vandaag bestaat) is nog niet gedemonstreerd, en critici wijzen erop dat een concrete tijdlijn vooralsnog ontbreekt.

Belangrijke overkoepelende obstakels blijven: het ontwikkelen van materialen voor nóg stabielere resonatoren, het betaalbaar toepassen van cryogene koeling (koeling tot extreem lage temperaturen), en het omgaan met atmosferische turbulentie bij grondgebaseerde systemen die door de lucht heen moeten kijken of stralen.

Wie werken eraan?

In de Verenigde Staten zijn NIST, MIT en Caltech (de laatste twee als beherende instellingen van LIGO) toonaangevend, samen met NASA en het Jet Propulsion Laboratory (JPL) voor ruimtetoepassingen. In Duitsland ontwikkelt de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) optische klokken, en het Max Planck Institut für Gravitationsphysik (ook bekend als het Albert Einstein Institute) in Hannover werkt mee aan LISA. Nederland draagt bij via VSL, het nationale metrologisch instituut in Delft. Op Europees niveau coördineert ESA missies als LISA en EDRS. Het Breakthrough Starshot-initiatief wordt gefinancierd vanuit de Breakthrough Initiatives, opgericht door investeerder Yuri Milner, in samenwerking met een internationaal netwerk van universiteiten en onderzoekers.

Verder lezen

• NIST — Amerikaans meetinstituut met achtergrondinformatie over atoomklokken en frequentiestabiliteit.
• LIGO Caltech — officiële site van de zwaartekrachtgolfdetector LIGO.
• ESA — Europese ruimtevaartorganisatie, met informatie over de LISA-missie en satellietcommunicatie.
• VSL — Nederlands nationaal metrologisch instituut, actief in onderzoek naar optische klokken.
• Nature — wetenschappelijk tijdschrift met peer-reviewed publicaties over laserstabilisatie en precisiemetrologie.