Et nyt hjem for optiske solitoner

Laserfysikere baseret på Laboratory for Attosecond Physics drevet af Max Planck Institute of Quantum Optics og Ludwig-Maximilian University har, for første gang, genererede dissipative solitoner i passive, frirumsresonatorer.

Solitoner er de mest stabile af alle bølger. Under forhold, der resulterer i spredning af alle andre bølgeformer, en soliton vil fortsætte uforstyrret på sin ensomme vej, uden at ændre dens form eller hastighed det mindste. Solitonernes selvstabiliserende egenskaber forklarer deres enorme betydning for laseroptikområdet, især til generering af ultrakorte lysimpulser. Et hold ledet af Dr. Ioachim Pupeza ved Laboratory of Attosecond Physics (LAP) i München, som drives i fællesskab af Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) og Ludwig-Maximilian University (LMU), har nu genereret optiske solitoner i passive frirumsresonatorer for første gang. Teknikken gør det muligt at komprimere laserimpulser, mens de øger deres spidseffekt, åbne op for nye applikationer til frirumsforbedring af hulrum i udforskningen af ​​ultrahurtig dynamik og præcisionsspektroskopi.

Den unge ingeniør John Scott Russell observerede første gang dannelsen af ​​en solitær vandbølge i en kanal i Edinburgh i 1834. Han fulgte den til hest, og fandt ud af, at den forplantede sig med konstant hastighed i miles uden at ændre sin form. Han byggede endda en vandtank i sin have for at undersøge fænomenet. Men han kunne ikke have forudset den efterfølgende betydning af denne 'soliton'-bølgeform for grene af fysikken ud over fluiddynamikkens område. I dag, optiske solitoner er en uundværlig komponent i laserteknologi, især i undersøgelsen af ​​kvanteoptik og ultrahurtig dynamik.

Fysikere ved Laboratory for Attosecond Physics drevet af MPQ og LMU har nu, for første gang, lykkedes med at producere tidslige optiske solitoner i en passiv frirumsresonator. For at gøre det, de koblede 350 femtosekunders infrarøde laserimpulser med en bølgelængde på 1035 nanometer og en gentagelseshastighed på 100 MHz, ind i en nydesignet passiv optisk resonator bestående af fire spejle og en tynd safirplade.

"Passeringen af ​​det elektromagnetiske felt af den optiske puls forårsager en ikke-lineær ændring i krystallens brydningsindeks, " forklarer Nikolai Lilienfein, første forfatter til det offentliggjorte papir. "Dette resulterer i et dynamisk faseskift, som fuldt ud kompenserer for spredningen, der opstår i resonatoren, samtidig med at spektret af pulsen udvides." Da de effekttab, der uundgåeligt opstår i resonatoren, samtidig kompenseres for af den interferometrisk koblede laserkilde, en soliton kan i princippet cirkulere ad infinitum i resonatoren. Ud over, forskerne udviklede en meget effektiv metode til at kontrollere energitilførslen til hulrummets soliton. I kombination, disse foranstaltninger gjorde det muligt for holdet at komprimere varigheden af ​​inputimpulser med næsten en størrelsesorden til 37 femtosekunder, mens de øgede deres spidseffekt med en faktor på 3200.

Denne forbedrings-resonatorteknologi åbner op for nye muligheder for generering af tog af meget præcise ekstreme ultraviolette (XUV) attosekundpulser (et attosekund varer en milliardtedel af en milliardtedel af et sekund). Dette kan igen sætte forskerne i stand til at karakterisere dynamikken i subatomære processer - og i særdeleshed at observere elektronernes bevægelser - i endnu større detaljer, end det hidtil var muligt.

"I løbet af de sidste mange år, vi har været i stand til at gøre de unikke fordele ved forbedringsresonatorer tilgængelige for eksperimenter i attosekundens fysik. Denne nye teknik åbner en vej mod yderligere betydelige fremskridt i pulsstyrken og stabiliteten, der kan opnås med sådanne systemer, samtidig med at kompleksiteten af ​​den eksperimentelle opsætning reduceres, " siger Dr. Ioachim Pupeza, leder af gruppen med ansvar for det nye arbejde i LAP. Disse forbedringer ville også være til gavn i forbindelse med XUV-frekvenskamspektroskopi, hvilket er centralt for udviklingen af ​​en ny generation af optiske ure baseret på kvanteovergange i atomkerner.