Ein Frequenzkamm nach Hänsch (Nobelpreis 2005, zus. mit Glauber und Hall) erzeugt extrem kurze Laserimpulse (von wenigen Femtosekunden Dauer) mit festem Zeit- und Frequenzabstand. Letzterer ist in der Größenordnung von Radiofrequenzen und kann deshalb mit elektronischen Mitteln gemessen werden, während heutige Elektronik eine Frequenzmessung bei sichtbarem Licht (typisch 10¹⁵ Hz) nicht zulässt. Auch die absolute Lichtfrequenz der Pulse eines Frequenzkamms können so mit elektronischen Mitteln gemessen werden, indem sie in den Radiofrequenzbereich herunter skaliert wird. So sind also die Frequenzen aller Pulse des Frequenzkamms  im Prinzip bekannt.

U.a. lassen sich  so Lichtfrequenzen anderer Laserquellen messen. Indem man einen Puls des Frequenzkamms mit der zu untersuchenden Strahlung überlagert, entstehen Schwebungen im Radiofrequenzbereich - entsprechend dem Frequenzabstand der beiden Laser, der wiederum gemessen werden kann.

Frequenzkämme erlauben den Bau extrem genau gehender Atomuhren. Auch relativ kleine Frequenzunterschiede lassen sich detektieren, z.B. beim Doppler-Effekt in der Astronomie.

Das Grobprinzip eines Frequenzkamms ist recht einfach verständlich. Die konkrete Realisierung stößt aber auf viele Schwierigkeiten, die von Theodor W. Hänsch und J. L. Hall (Nobelpreis 2005) bravorös gemeistert wurden. Femtosekundenlaser ermöglichen die Untersuchung der Reaktionskinetik bei chemischen Reaktionen.

(1) In einem Laser sind i.A. Moden mit unterschiedlichen Frequenzen aktiv. Überlagert man zwei Lichtwellen mit leicht verschiedenen Frequenzen f₁ und f₂, entstehen Schwebungen, erkennbar an Amplitudenschwankungen im Rhythmus der Differenzfrequenz (/ f₁ - f₂ /). Mischt man eine dritte Frequenz dazu, hängt das Resultat von der Phasenlage dieser dritten Welle ab. Ein leicht analysierbares Ergebnis erhält man nur dann, wenn dafür gesorgt wird, dass eine feste Phasenbeziehung besteht. Das Verfahren nennt man Moden-Kopplung (Phase-Locking). Von der Uni Würzburg gibt es eine Simulation, die das Prinzip veranschaulicht. Je mehr Moden (in Realität bis 10⁶) so gekoppelt werden, desto deutlicher tritt in der Überlagerung ein einzelner Puls hervor. Je mehr Moden beteiligt sind, desto schmaler und höher ist er. Durch Moden-Kopplung lassen sich schon Pulse im Femtosekundenbereich erzeugen, besonders dann, wenn man einen Laser mit sehr vielen Moden verwendet. Ein geeigneter Kandidat ist ein Titan-Saphir-Laser, dessen ohnehin schon breites Spektrum (typ. 100 nm) noch einmal deutlich verbreitert werden kann, indem das Licht durch eine photonische Kristall-Faser geschickt wird. Das Spektrum enthält dann Anteile von ca. 500 nm bis zu 1100 nm. Das wird zur Messung und Stabilisierung des Lasers eingesetzt.

(2) Die Modenkopplung wird bei diesem Laser durch Kerr-Linsen ("passive Modenkopplung") bewirkt.

(3) Zwischen den Endspiegeln des Laserresonators läuft ein solcher Pulse hin und her. Nach jedem Durchlauf verlässt den Auskoppelspiegel jeweils ein gleichartiger Puls. Auch nach Stunden ist kein Zerfließen des Pulses im Resonator zu beobachten. Die Wiederholfrequenz (Größenordnung 500 MHz) hängt von der Länge des Resonators und vom Brechungsindex des verwendeten Materials ab. Diese Impulsfolge gab dem Laser seinen Namen. Spezielle Maßnahmen stabilisieren Wiederholrate, Frequenzen, Phasen und weitere Parameter.

(4) Für Frequenzbandbreite Δf und Impulsdauer Δt gilt - wie üblich - eine Art Unschärferelation:     Δf·Δt >= k , wobei k eine Zahl in der Größenordnung von 1 ist. Kurzzeitige Impulse entsprechen größerer Frequenzbandbreite

E

1. Durch Modenkopplung in einem Laser mit sehr vielen Moden entstehen zeitlich regelmäßig Pulse mit gleichem Frequenzabstand, wenn zusätzliche Maßnahmen zur Stabilisierung eingesetzt werden. 2. Durch Überlagerung einer unbekannten Laserstrahlung mit einem Frequenzkamm entstehen Schwebungsfrequenzen, die mit elektronischen Mitteln vermessen werden können und so eine Messung der Lichtfrequenz erlauben.