Ein neues Zuhause für Ultrakurzzeit-Solitonen
Erstmals dissipative Solitonen in passiven Freistrahlresonatoren erzeugt.
Solitonen sind die Standhaftesten aller Wellen: Unter Bedingungen, die jede andere Wellenform zum Zerfließen bringen, breiten sich diese kompakten Pulse aus, ohne ihre Form auch nur im Mindesten zu ändern. Ihre selbststabilisierenden Eigenschaften verleihen Solitonen herausragende Bedeutung in der Laseroptik und speziell in der Ultrakurzzeitphysik. Ein Forscherteam am MPI für Quantenoptik und der Uni München unter der Leitung von Ioachim Pupeza hat es erstmals geschafft, optische Solitonen in passiven Freistrahlresonatoren zu erzeugen. Hierdurch wird eine starke Verkürzung von Laserpulsen bei gleichzeitiger Leistungsüberhöhung erreicht und so neue Perspektiven für die Anwendung von Überhöhungsresonatoren in der Ultrakurzzeitphysik und der Präzisionsspektroskopie eröffnet.
Die Wissenschaftler koppelten 350 Femtosekunden lange Infrarot-Laserpulse mit hundert Megahertz Wiederholungsrate in eine Weiterentwicklung eines Überhöhungsresonators ein, dessen Herzstück eine kleine Saphirkristallplatte ist. „Das elektromagnetische Feld des Lichtpulses erzeugt im Kristall eine nichtlineare Änderung des Brechungsindex“, erklärt Team-Mitglied Nikolai Lilienfein. „Das bewirkt eine Phasenverschiebung, die die Dispersion im Resonator vollständig kompensiert und erlaubt zudem eine spektrale Verbreiterung.“ Da die Leistungsverluste im Resonator gleichzeitig durch die interferometrisch eingekoppelte Laserquelle ausgeglichen werden, kann ein Soliton im Prinzip endlos im Resonator kreisen. Zudem entwickelten die Wissenschaftler eine Methode, die eine Energiezufuhr zum Resonator-Soliton mit noch nie dagewesener Effizienz ermöglicht. So erzeugten die Forscher Solitonen mit einer Pulsdauer von 37 Femtosekunden und einem Überhöhungsfaktor der Spitzenleistung von 3200.
Diese neue Überhöhungsresonator-Technik schafft neue Möglichkeiten zur hochpräzisen Erzeugung von Zügen extrem ultravioletter Attosekundenblitze zur Erforschung des Mikrokosmos. Solche ultrakurzen Lichtblitze machen es wiederum möglich, die Bewegungen von Elektronen zu beobachten. „Über die letzten Jahre haben wir die einzigartigen Vorteile von Überhöhungsresonatoren für Experimente der Attosekundenphysik nutzbar gemacht. Mit unserer neuen Technik öffnen wir einen Weg für einen weiteren Sprung in Leistung und Stabilität solcher Systeme bei gleichzeitiger Reduzierung der Komplexität“, erklärt Pupeza. Das würde ebenso der XUV-Frequenzkammspektroskopie zugutekommen, die etwa für die Entwicklung einer neuen Generation optischer Uhren auf der Basis nuklearer Quantenübergänge von höchster Bedeutung ist.
MPQ / RK
Weitere Infos
- N. Lilienfein et al.: Temporal solitons in free-space femtosecond enhancement cavities, Nat. Photonics, online 21. Januar 2019; DOI: 10.1038/s41566-018-0341-y
- Field-resolved infrared metrology (I. Pupeza), Labor für Attosekundenphysik, Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching, und Ludwig-Maximilians-Universität München
