Laserlock: hoe je een laser kilometers stabiel houdt
Een laser lijkt op het eerste gezicht een heel stabiel apparaat: een strakke, felle lichtstraal met één kleur. In werkelijkheid trilt de frequentie van dat licht voortdurend een heel klein beetje, door temperatuurschommelingen, trillingen in de opstelling of kleine stroomschommelingen in de elektronica. Voor de meeste toepassingen van een laser — een barcodescanner, een laserpointer, een lasprinter — maakt dat niets uit. Maar voor precisiemetingen, zoals het detecteren van zwaartekrachtsgolven of het bouwen van een extreem nauwkeurige klok, is die kleine trilling een probleem. "Laserlock" of laser locking is de verzamelnaam voor technieken die zo'n laser aan een vaste, bekende referentie vastklikken, zodat de frequentie nauwelijks meer afwijkt.
Een simpele analogie: stem een gitaarsnaar met een stemvork. Zonder stemvork klinkt de snaar wel muziek, maar niet exact op de juiste toon, en die toon verschuift een beetje met de temperatuur van het hout. Met een stemvork als referentie stem je de snaar continu bij, zodat hij precies op toon blijft, ook als de omstandigheden veranderen. Laserlock doet iets vergelijkbaars, maar dan duizenden keren per seconde en met een precisie die met het blote oog volstrekt onzichtbaar is: de frequentie van het laserlicht wordt continu vergeleken met een stabiele referentie en razendsnel bijgestuurd.
Wat is het precies?
Licht is een golf, en de frequentie van die golf (het aantal trillingen per seconde) bepaalt de kleur en, cruciaal voor natuurkundigen, hoe nauwkeurig je ermee kunt meten. Een "vrij lopende" laser heeft een frequentie die met de tijd een beetje wegdrijft: dat heet frequentiedrift. Ook heeft het licht een bepaalde bandbreedte, de zogeheten linewidth, die aangeeft hoe "zuiver" één kleur eigenlijk is. Hoe smaller de linewidth en hoe kleiner de drift, hoe geschikter de laser is voor precisiewerk.
Om een laser te vergrendelen heb je eerst een referentie nodig: iets dat zelf heel stabiel is. Populaire keuzes zijn een optische resonator of cavity (twee spiegels op vaste afstand van elkaar, vaak gemonteerd op een blok ultrastabiel glaskeramiek dat nauwelijks uitzet bij temperatuurwisselingen), of een atomaire of moleculaire overgang — de exacte frequentie waarbij een bepaald atoom licht absorbeert. Atomen zijn overal in het heelal identiek, dus die frequentie is een natuurconstante en dus een uitstekende referentie.
Vervolgens wordt het laserlicht vergeleken met die referentie. Een veelgebruikte methode is de Pound-Drever-Hall-techniek (vernoemd naar de natuurkundigen die de methode in de jaren tachtig uitwerkten): een deel van het laserlicht wordt in de resonator gestuurd, en het licht dat terugkaatst bevat informatie over hoe ver de laserfrequentie van de resonantiefrequentie afligt. Die informatie wordt omgezet in een elektrisch "foutsignaal" (error signal). Een regelcircuit, de feedback-lus, gebruikt dat foutsignaal om razendsnel de laser bij te sturen, bijvoorbeeld door een piëzo-kristal (een materiaal dat van vorm verandert onder elektrische spanning) de spiegel van de laser millimicron voor millimicron te laten verschuiven, of door de stroom door de laser subtiel aan te passen. Dit gebeurt duizenden tot miljoenen keren per seconde, zodat de laser continu "op toon" blijft.
Het resultaat is een laser waarvan de frequentie niet meer willekeurig wegdrijft, maar strak gekoppeld is aan de referentie. Sommige toepassingen gaan nog een stap verder en koppelen ("lock") meerdere lasers aan elkaar, of een laser aan een ver weg gelegen referentie via een glasvezelkabel, zodat twee apparaten op grote afstand toch dezelfde, stabiele lichtfrequentie gebruiken.
Wat wil men ermee bereiken?
De drijfveer achter laserlock is simpel: hoe stabieler het licht, hoe nauwkeuriger de meting die je ermee kunt doen. Dat speelt in een aantal grote wetenschappelijke en technologische velden. In tijdmeting maakt een stabielere laser een nauwkeuriger atoomklok mogelijk, wat weer nodig is voor gps, telecommunicatienetwerken en fundamenteel onderzoek naar natuurconstanten. In de zoektocht naar zwaartekrachtsgolven — rimpelingen in de ruimtetijd voorspeld door Einstein — moet je afstandsveranderingen meten die duizenden keren kleiner zijn dan een atoomkern, en dat kan alleen met extreem stabiel laserlicht.
Ook in de opkomende kwantumtechnologie is laserlock onmisbaar. Om een los atoom of ion te laten dienen als qubit (het rekeneenheidje van een kwantumcomputer), moet je het met licht van een exact bepaalde kleur koelen, manipuleren en uitlezen. Zit de laserfrequentie er ook maar een fractie naast, dan werkt de bewerking niet betrouwbaar. Daarnaast speelt de techniek een rol in spectroscopie (het bestuderen van materialen aan de hand van welk licht ze absorberen of uitzenden), in glasvezelcommunicatie op lange afstand, en in navigatiesystemen die niet van gps afhankelijk willen zijn.
De onderliggende belofte is dus niet één product, maar een stuk fundamentele infrastructuur: betere klokken, betere sensoren, betere kwantumcomputers en gevoeligere detectoren, allemaal gebouwd op steeds stabielere lichtbronnen.
Voorbeelden uit de praktijk
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), de Amerikaanse detector die in september 2015 voor het eerst zwaartekrachtsgolven registreerde (publiek aangekondigd in februari 2016), is afhankelijk van zwaar gestabiliseerde lasers. De Pound-Drever-Hall-techniek wordt hier op meerdere niveaus toegepast om zowel de laser zelf als de kilometers lange armen van de interferometer op elkaar afgestemd te houden.
LISA Pathfinder, een testmissie van het Europese ruimtevaartagentschap ESA die eind 2015 werd gelanceerd, demonstreerde laserinterferometrie tussen twee vrij zwevende testmassa's in één satelliet. Dit was een voorbereiding op de geplande LISA-missie: drie satellieten die miljoenen kilometers uit elkaar staan en via gestabiliseerde laserlinks met elkaar verbonden moeten blijven om zwaartekrachtsgolven vanuit de ruimte te meten.
Optische atoomklokken, zoals de strontium-roosterklokken die onder meer bij het Amerikaanse onderzoeksinstituut JILA in Boulder (Colorado) en bij de Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Duitsland worden ontwikkeld, hangen volledig af van laserlock. De "klok-laser" wordt vergrendeld op zowel een ultrastabiele glaskeramische resonator als op de atomaire overgang van de strontiumatomen zelf, wat leidt tot klokken die in miljarden jaren nog geen seconde zouden afwijken.
Bedrijven met ionval-kwantumcomputers, zoals het Amerikaanse IonQ en Quantinuum (ontstaan uit een fusie van Honeywell Quantum Solutions en Cambridge Quantum), gebruiken meerdere gestabiliseerde lasers per opstelling om individuele ionen te koelen, te laten interageren en uit te lezen als qubits.
Commerciële laser-locking-elektronica wordt geleverd door gespecialiseerde fotonicabedrijven zoals het Duitse Toptica Photonics en Menlo Systems, die kant-en-klare regelsystemen verkopen aan universiteiten en onderzoeksinstituten wereldwijd, zodat niet elk laboratorium zijn eigen elektronica hoeft te ontwerpen.
Hoe ver is de techniek?
Laser locking zelf is geen nieuwe of speculatieve technologie: de basisprincipes, waaronder de Pound-Drever-Hall-methode, bestaan al sinds de jaren tachtig en worden dagelijks gebruikt in duizenden onderzoekslaboratoria. In die zin is het een volwassen, betrouwbare techniek. Wat wel steeds verder ontwikkelt, is hoe stabiel en hoe compact het kan.
De grootste vooruitgang zit tegenwoordig in twee richtingen. Ten eerste worden referenties steeds stabieler: nieuwe materialen voor optische resonators en steeds nauwkeurigere atomaire overgangen duwen de grens van wat meetbaar is telkens verder op, wat rechtstreeks doorwerkt in de precisie van atoomklokken. Ten tweede wordt er hard gewerkt aan miniaturisering: waar een laserlock-opstelling vroeger een hele optische tafel vulde, passen onderzoekers en bedrijven de kernonderdelen nu steeds vaker op een chip, zodat de techniek buiten het laboratorium bruikbaar wordt, bijvoorbeeld in draagbare klokken of in satellieten.
De belangrijkste obstakels zijn niet zozeer principieel, maar praktisch: trillingen, temperatuurschommelingen en veroudering van materialen blijven de vijand van stabiliteit, zeker buiten een gecontroleerde laboratoriumomgeving. Voor ruimtetoepassingen zoals de geplande LISA-missie is bovendien nog een flinke technische stap nodig om laserlocks betrouwbaar te laten werken over miljoenen kilometers, met satellieten die onderling moeten "volgen" ondanks kleine baanbewegingen. De missie staat momenteel gepland voor rond het midden van de jaren 2030, al kunnen ruimtemissies van deze omvang vertraging oplopen.
Wie werken eraan?
Op onderzoeksgebied lopen de Verenigde Staten en Europa voorop. In de VS zijn onder meer het National Institute of Standards and Technology (NIST) en het daaraan verbonden JILA-instituut in Boulder toonaangevend op het gebied van optische klokken, terwijl het LIGO Scientific Collaboration-netwerk (met een sterke rol voor Caltech en MIT) de zwaartekrachtsgolvendetectie trekt. In Duitsland is de PTB een van de belangrijkste metrologie-instituten ter wereld voor optische klokken, en werkt het Max Planck Institute for Quantum Optics aan verwante kwantumtechniek.
Op ruimtevaartgebied trekken ESA en NASA gezamenlijk de LISA-missie. Op het bedrijfsleven-front zijn fotonicaspecialisten als Toptica Photonics en Menlo Systems (Duitsland) belangrijke leveranciers van laser-locking-hardware, terwijl kwantumcomputerbedrijven als IonQ en Quantinuum de techniek toepassen (niet zelf als kerntechnologie ontwikkelen, maar als essentieel onderdeel van hun apparatuur). Ook nationale metrologie-instituten in andere landen, zoals in Frankrijk, Japan en het Verenigd Koninkrijk, houden actief onderzoek naar steeds stabielere laserreferenties.