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.
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
Weitere Infos
- Originalveröffentlichung
L. Nimmesgern et al.: Soliton molecules in femtosecond fiber lasers: universal binding mechanism and direct electronic control, Optica 8, 1334 (2021); DOI: 10.1364/OPTICA.439905 - Ultraschnelle Dynamik (G. Herink), Physikalisches Institut, Universität Bayreuth
