Lasers die ultrakorte lichtpulsen uitzenden, zijn cruciale componenten van technologieën, inclusief communicatie en industriële verwerking, en stonden centraal in fundamenteel Nobelprijswinnend onderzoek in de natuurkunde. Hoewel voor het eerst uitgevonden in de jaren zestig, het exacte mechanisme waardoor lasers daadwerkelijk zulke heldere lichtflitsen produceren, is ongrijpbaar gebleven. Het was voorheen niet mogelijk om in een laser te kijken, aangezien deze voor het eerst wordt ingeschakeld om te zien hoe de laserpulsen worden opgebouwd door ruis. Echter, onderzoek onlangs online gepubliceerd in Natuurfotonica heeft voor het eerst aangetoond hoe laserpulsen uit het niets opduiken uit ruis en vervolgens een complexe instortings- en oscillatiedynamiek vertonen voordat ze uiteindelijk tot een stabiele, normale werking komen.

"De reden waarom het begrijpen van deze lasers zo moeilijk was, is omdat de pulsen die ze produceren meestal van picoseconde of korter zijn. Na de complexe opbouwdynamiek van zulke korte pulsen voor honderden, soms duizenden bursts voordat de laser daadwerkelijk stabiliseert, is het vermogen van optische meettechnieken te boven gegaan, " zegt professor Goëry Genty, die het onderzoek begeleidde in het Laboratorium voor Fotonica van Tampere University of Technology (TUT).

Dit onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking tussen het FEMTO-ST Instituut in Frankrijk (CNRS en de Universiteit van Bourgogne-Franche-Comté) en het Laboratorium voor Fotonica van de TUT. De specifieke wetenschappelijke vooruitgang die tot de nieuwe bevindingen heeft geleid, is de realtime meting van de temporele intensiteit van de laser met een resolutie van minder dan een picoseconde, evenals het optische spectrum met een resolutie van minder dan nanometer. Door deze temporele en spectrale eigenschappen tegelijkertijd vast te leggen, een geavanceerd computationeel algoritme kan de volledige kenmerken van het onderliggende elektromagnetische veld achterhalen.

Naast het bieden van nieuwe inzichten in de werking van gepulseerde lasers, de onderzoeksresultaten hebben belangrijke interdisciplinaire toepassingen.

"De resultaten bieden een zeer handig laboratoriumvoorbeeld van wat bekend staat als een "dissipatief solitonsysteem", een centraal concept in niet-lineaire wetenschap en ook relevant voor studies op andere gebieden, zoals biologie, geneeskunde en mogelijk zelfs sociale wetenschappen, " zegt professor John. M. Dudley, die het onderzoek leidde aan de Universiteit van Bourgogne-Franche-Comté.

Tijdens het reconstrueren van de evolutie van het elektromagnetische veld, het team observeerde een breed scala aan interactiescenario's tussen dissipatieve solitonstructuren die uit ruis tevoorschijn kwamen.

"De aanpak die we hebben geïmplementeerd, kan werken bij lage ingangsvermogensniveaus en hoge snelheden. De resultaten bieden een volledig nieuw venster op voorheen onzichtbare interacties tussen opkomende dissipatieve solitonen in de vorm van botsingen, samensmelten of instorten", zegt Gent.

De onderzoekers zijn van mening dat hun resultaten een verbeterd ontwerp en betere prestaties van ultrasnelle gepulseerde lasers mogelijk zullen maken.

"Dit is een echt fascinerend onderzoeksgebied waar studies die worden gemotiveerd door vragen in de fundamentele wetenschap het potentieel hebben om een ​​echte praktische impact te hebben in toekomstige fotonische technologie, ’ besluit Dudley.