12.01.2024

Ultrakurze Laserblitze nach Wunsch

Kontrollierbare Lichtpuls-Paare aus einem einzelnen Faserlaser.

In einem innovativen Ansatz zur Steuerung ultrakurzer Laser-Blitze nutzen Forscher der Universitäten Bayreuth und Konstanz Solitonen-Physik und zwei Puls-Kämme innerhalb eines einzelnen Lasers. Das Verfahren hat das Potenzial, Laseranwendungen stark zu beschleunigen und zusätzlich zu vereinfachen.

Abb.: Solitonen, die in einem Erbium-Faserlaser umlaufen.
Abb.: Zwei Solitonen (blau, rot), die in einem Erbium-Faserlaser umlaufen. Ein Soliton (rot) wird dabei durch einen akusto-optischen Modulation gestört, womit das Timing zwischen den Pulsen kontrolliert werden kann.
Quelle: Experimentalphysik VIII, U. Bayreuth

Traditionell werden zeitliche Pulsabstände von Lasern dadurch eingestellt, dass jeder Puls in zwei Pulse aufgespalten und über unterschiedliche, mechanisch abstimmbare Wegstrecken verzögert wird. Alternativ nutzt man zwei Laserquellen mit leicht unterschiedlichen Umlaufzeiten, um aus der Überlagerung der beiden Puls-Kämme schnell durchlaufende Verzögerungen zu erzeugen. Das jetzt von den Forschern um Georg Herink von der Uni Bayreuth und Alfred Leitenstorfer von der Uni Konstanz demonstrierte, rein optische Verfahren basiert auf zwei Puls-Kämmen innerhalb eines einzelnen Lasers. Es ermöglicht dabei extrem schnell und flexibel einstellbare Pulsfolgen. Gleichzeitig kann dies in sehr kompakten, glasfaserbasierten Lichtquellen umgesetzt werden. Indem die Forscher die beiden Puls-Kämme außerhalb des Lasers zeitlich zusammenführen, erhalten sie Pulsmuster, die nach Belieben mit verschiedenen Verzögerungen eingestellt werden können.

Dabei nutzen die Forscher einen Trick: Statt des üblicherweise einzelnen Lichtpulses zirkulieren hier zwei Pulse im Laser. „Zwischen beiden Pulsen bleibt gerade genug Zeit, um einen einzelnen Puls mithilfe eines schnellen optischen Schalters im Inneren des Lasers zu stören“, erklärt Julia Lang vond er Uni Bayreuth. „Unter Ausnutzung der Laserdynamik bewirkt diese Intracavity-Modulation eine Geschwindigkeitsänderung und verschiebt somit die beiden Pulse zeitlich gegeneinander.“

Die auf Glasfasern basierte Laserquelle wurde von Sarah Hutter und Alfred Leitenstorfer von der Uni Konstanz entwickelt und hergestellt. Dank einer besonderen Echtzeit-Messmethode können die Forscher an der Uni Bayreuth nun genau beobachten, wie sich die kurzen Lichtpulse – auch Solitonen genannt – bewegen, wenn äußere Einflüsse auf sie wirken. Diese genutzte Echtzeit-Spektralinterferometrie erlaubt die präzise Vermessung des Abstands jedes Pulspaares – und das über zehn Millionen Mal pro Sekunde. „

Wir zeigen, dass wir das Timing über einen weiten Bereich extrem schnell einstellen und frei programmierbare Bewegungsformen erreichen können“, erläutert Herink. Die Studie präsentiert einen innovativen Ansatz zur Steuerung von Solitonen und eröffnet neben neuen Einblicke in die Solitonenphysik Möglichkeiten für besonders schnelle und effiziente Anwendungen ultrakurzer Laserpulse.

U. Bayreuth / RK

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