20 Feb Kontrollierbare Lichtpulspaare aus einzelnem Faserlaser
Um ultrakurze Laserblitze zu steuern, nutzen Forschende der Universitäten Bayreuth und Konstanz Solitonenphysik sowie zwei Pulskämme innerhalb eines einzelnen Lasers. Den Wissenschaftlern zufolge hat ihre Methode das Potenzial, Laseranwendungen stark zu beschleunigen und sie zu vereinfachen.
Traditionell werden zeitliche Pulsabstände von Lasern eingestellt, indem man jeden Puls in zwei aufgespaltet. Diese werden dann über unterschiedliche, mechanisch abstimmbare Wegstrecken verzögert. Alternativ dazu nutzt man sogenannte Dual Combs, um aus der Überlagerung der beiden Pulskämme schnell durchlaufende Verzögerungen zu erzeugen. Das von Prof. Dr. Georg Herink, Leiter der Arbeitsgruppe ‚Experimentalphysik VIII – Ultraschnelle Dynamik‘ an der Universität Bayreuth und seiner Doktorandin Julia A. Lang in Kooperation mit Prof. Dr. Alfred Leitenstorfer und Sarah R. Hutter von der Universität Konstanz demonstrierte, rein optische Verfahren basiert auf zwei Pulskämmen innerhalb eines einzelnen Lasers. Es ermöglicht dabei sehr schnell und flexibel einstellbare Pulsfolgen. Gleichzeitig kann dies in sehr kompakten, glasfaserbasierten Lichtquellen umgesetzt werden. Indem die Forschenden die beiden Pulskämme außerhalb des Lasers zeitlich zusammenführen, erhalten sie Pulsmuster, die nach Belieben mit verschiedenen Verzögerungen eingestellt werden können.
Pulsverschiebung mittels Intracavity-Modulation
Dabei nutzen die Forschenden 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 Lang. „Unter Ausnutzung der Laserdynamik bewirkt diese Intracavity-Modulation eine Geschwindigkeitsänderung und verschiebt somit die beiden Pulse zeitlich gegeneinander.“
Die Laserquelle wurde von Sarah R. Hutter und Alfred Leitenstorfer von der Universität Konstanz entwickelt und hergestellt. Dank Echtzeit-Spektralinterferometrie können die Forschenden in Bayreuth nun genau beobachten, wie sich die kurzen Lichtpulse – sogenannte Solitonen – bewegen, wenn äußere Einflüsse auf sie wirken. Diese Messmethode erlaubt die präzise Vermessung des Abstands eines jeden Pulspaars mehr als 10 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 nun in Science Advances vorgestellte Forschung präsentiert nach Ansicht der Autoren einen neuartigen Ansatz zur Steuerung von Solitonen und eröffnet neben neuen Einblicke in die Solitonenphysik Möglichkeiten für besonders schnelle und effiziente Anwendungen ultrakurzer Laserpulse.
Die Forschung ist Teil des von der DFG geförderten Projekts ‚Ultrakurze Lichtmoleküle – Von internen Interaktionen zu externer Kontrolle‘.
Fazit
Das Timing in der Abfolge ultrakurzer Laserpulse ist entscheidend für eine Vielzahl an Laseranwendungen von der Materialanalyse bis hin zur Präzisionsbearbeitung. Die aktuelle Arbeit von Prof. Dr. Georg Herink und seiner Doktorandin Julia A. Lang von der Universität Bayreuth sowie ihren Kollegen von der Universität Konstanz demonstriert erstmalig ein neues Verfahren zur schnellen Erzeugung von Pulsfolgen mit frei abstimmbarem Timing auf Basis eines kompakten Faserlasers – und frei von jeder Mechanik. Die Ergebnisse sind wichtig für die Beschleunigung von Kurzpuls-basierten Mikroskopie- und Spektroskopieverfahren.
Originalpublikation:
[J.A. Lang et al.: Controlling intracavity dual-comb soliton motion in a single-fiber laser. Sci. Adv. 10, eadk2290 (2024), DOI: 10.1126/sciadv.adk2290]
Quelle: www.uni-bayreuth.de
Bild: Experimentalphysik VIII, Universität Bayreuth
