Ein neues Zuhause für Ultrakurzzeit-Solitonen

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