01.11.2021 • Photonik

Ultrakurze Lichtblitze präzise und schnell kombiniert

Ursache für die stabile Kopplung von Femtosekunden-Pulsen entdeckt.

Femtosekundenpulse werden für die Erforschung von Energie­materialien, die 3D-Fertigung von Bauteilen oder auch als Präzisions­skalpell in der Medizin eingesetzt. In Lasern entstehen diese Blitze als Solitonen, also als stabile Pakete aus Licht­wellen. Dabei können statt einzelner Blitze auch Paare und Gruppen von Licht­blitzen entstehen. Da sie mitein­ander verkoppelt sind, können ihre kurzen zeit­lichen Abstände eine hohe Stabilität aufweisen. Forscher der Univer­sitäten Bayreuth und Konstanz haben jetzt eine Ursache für die stabile Kopplung ultra­kurzer Licht­blitze entdeckt und einen Weg gefunden, ihre Abstände gezielt und schnell zu steuern.

Abb.: Echtzeit-Spektro­skopie verfolgt das Schalten von Soliton-Mole­külen...
Abb.: Echtzeit-Spektro­skopie verfolgt das Schalten von Soliton-Mole­külen in einem Femto­sekunden-Faser­laser. Das Bild zeigt auf­ein­an­der­fol­gende expe­ri­men­telle Spek­tren, die wäh­rend eines Schalt­vor­gangs auf­ge­nom­men wurden. (Bild: M. B. Heindl, U. Bayreuth)

Die Forscher gewannen die neuen Erkenntnisse an einem Laser­resonator. Dieser enthält einen Ring aus Glas­fasern, der ein endloses Umlaufen der Solitonen ermöglicht. In solchen Systemen beobachtet man häufig Solitonen-Moleküle, also mitein­ander verkop­pelte Femto­sekunden­blitze. Durch den Einsatz hoch­auf­lösender Echtzeit-Spektro­skopie ist es dem Team gelungen, die Dynamik von zwei verkop­pelten Blitzen in Echtzeit während vieler hundert­tausend Umläufe zu verfolgen. Auf Basis dieser Daten konnten die Wissen­schaftler zeigen, dass es optische Reflexe inner­halb des Laser­resonators sind, welche die einzelnen Solitonen zeitlich und räumlich mitein­ander verkoppeln. Die Bindungs­abstände ließen sich anhand von Laufzeit­differenzen vorher­sagen und konnten schließlich durch Verschiebung optischer Elemente präzise einge­stellt werden.

Darüber hinaus zeigt die Studie, wie die Bindung zwischen zwei Blitzen schnell gelöst werden und eine neue Bindung entstehen kann. Es ist jetzt beispiels­weise möglich, zwischen paarweise auftretenden Licht­blitzen, die verschiedene zeitliche Abstände haben, gezielt hin- und her zu schalten. „Aufgrund unserer Forschungs­ergebnisse wird es jetzt möglich, Solitonen-Moleküle auf Knopfdruck zu schalten. Das eröffnet neue Perspek­tiven für technische Anwen­dungen von Femto­sekunden­pulsen, insbesondere in der Spektro­skopie und der Material­bearbeitung,“ sagt Luca Nimmesgern von der Uni Bayreuth.

Die am Laserresonator gewonnenen Erkenntnisse lassen sich auf eine Vielzahl von Ultra­kurz­puls­laser­quellen über­tragen. Deshalb ist es ohne hohen Aufwand möglich, mitein­ander verkop­pelte Licht­blitze in anderen Laser­systemen zu erzeugen und ihre Abstände zu schalten. „Seit den ersten Berichten von Pulspaaren in Faser­lasern vor über zwanzig Jahren wurden für die Stabilität von Solitonen-Molekülen in Lasern unter­schied­liche Erklärungen vorge­schlagen. Die üblichen Modelle wider­sprechen zahlreichen Beobach­tungen, werden aber bis heute heran­ge­zogen. Unsere neue Studie bietet jetzt erstmals eine mit den Messdaten kompatible und exakte Erklärung. Sie liefert gewisser­maßen ein Puzzle­stück, das nach­träg­lich eine Vielzahl früherer Daten verständlich macht. Jetzt kann die komplexe Laser­physik gezielt genutzt werden, um Solitonen-Sequenzen mit hoher Geschwin­dig­keit zu erzeugen“, sagt Georg Herink von der Uni Bayreuth, Koordinator der Forschungs­arbeiten.

U. Bayreuth / RK

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