Petahertz

Ein Petahertz (PHz) entspricht 1015 Hertz, also einer Billiarde Zyklen pro Sekunde. Dieses Frequenzband liegt im Bereich des sichtbaren und ultravioletten Lichts, wo sich elektromagnetische Strahlung eher wie Wellen als wie Radiowellen verhält. Die meisten Metrologen müssen sich im Alltag nicht mit Petahertz befassen, aber der Begriff wird wichtig beim Kalibrieren optischer Instrumente, beim Besprechen von Laserwellenlängen oder beim Festlegen von Sensoren, die sehr feine spektrale Details auflösen müssen.

Das sichtbare Spektrum erstreckt sich ungefähr von 430 bis 770 Terahertz (THz), sodass rotes Licht bei etwa 430 PHz liegt und violettes Licht bei etwa 770 PHz, wenn man die Frequenz statt der Wellenlänge angibt. Im ultravioletten Bereich steigen die Frequenzen in den niedrigen Petahertz-Bereich. In diesen Größenordnungen wird die Wellenlänge zur praktischeren Einheit, da eine Petahertz-Welle im Vakuum eine Wellenlänge von etwa 200 Nanometern hat. Optiken nach Frequenz statt nach Wellenlänge zu bezeichnen ist ungewöhnlich, außer in theoretischen Arbeiten oder beim Umgang mit frequenzstabilisierten Lasern.

Wo Petahertz in der Praxis eine Rolle spielt

Optische Frequenzkämme, die in der Präzisionsspektroskopie und Zeitmessung zentral geworden sind, arbeiten im Petahertz-Bereich. Ein Frequenzkamm erzeugt ein Gitter scharfer optischer Linien mit einem bekannten Abstand (oft wenige Gigahertz voneinander entfernt) und ermöglicht es Forschern, unbekannte optische Frequenzen mit beispielloser Genauigkeit zu messen. Diese Instrumente bilden das Fundament moderner Atomuhren und ermöglichen die absolute Messung optischer Frequenzen ohne Rückgriff auf einen mechanischen Wellenlängenstandard.

Die Laserstabilisierung befasst sich routinemäßig damit, die Frequenz eines Lasers an einen optischen Resonator oder einen atomaren Übergang zu koppeln. Die erforderliche Präzision verlangt, die Frequenz und Stabilität des Lasers in absoluten Werten zu beschreiben, hier kommt Petahertz-Notation in technischen Spezifikationen zum Einsatz. Ein Helium-Neon-Laser emittiert beispielsweise bei etwa 474 PHz; ein Erbium-dotierter Faserlaser in der Telekommunikation liegt nahe bei 375 PHz. Wenn ein Messlabor bescheinigen muss, dass ein Laser seine Frequenz auf Teile pro Billion stabil hält, ist Petahertz die natürliche Einheit für diese Spezifikation.

Das Hertz-Präfixsystem steigt von Kilohertz (Funk) über Megahertz (Mikrowelle), Gigahertz (Millimeterwelle), Terahertz (aufkommende Spektroskopie) bis zu Petahertz (Optik). Unterhalb von Petahertz liegen Exahertz und Zettahertz, diese Bereiche sind aber vorerst weitgehend theoretisch. Der Sprung von Funk zu Optik ist steil: Ein Petahertz-Signal kann nicht direkt mit elektronischen Schaltungen erzeugt oder erfasst werden; stattdessen verlässt sich die optische Erfassung auf Photodioden, Spektrometer und interferometrische Methoden, die das Lichtfeld selbst abtasten statt seine Schwingungen zu zählen.