Laserfysici van het Laboratory for Attosecond Physics van het Max Planck Institute of Quantum Optics en de Ludwig-Maximilian University hebben, Voor de eerste keer, genereerde dissipatieve solitonen in passieve, vrije ruimte resonatoren.

Solitonen zijn de meest stabiele van alle golven. Onder omstandigheden die resulteren in de verspreiding van alle andere golfvormen, een soliton zal ongestoord zijn eenzame weg vervolgen, zonder ook maar iets van vorm of snelheid te veranderen. De zelfstabiliserende eigenschappen van solitonen verklaren hun immense betekenis op het gebied van laseroptica, in het bijzonder voor het opwekken van ultrakorte lichtpulsen. Een team onder leiding van Dr. Ioachim Pupeza van het Laboratory of Attosecond Physics (LAP) in München, die gezamenlijk wordt beheerd door het Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) en de Ludwig-Maximilian University (LMU), heeft nu voor het eerst optische solitonen gegenereerd in passieve resonatoren in de vrije ruimte. Met deze techniek kan men laserpulsen comprimeren en tegelijkertijd hun piekvermogen verhogen, het openen van nieuwe toepassingen voor holtes voor verbetering van de vrije ruimte in de verkenning van ultrasnelle dynamiek en in precisiespectroscopie.

De jonge ingenieur John Scott Russell observeerde voor het eerst de vorming van een eenzame watergolf in een kanaal in Edinburgh in 1834. Hij volgde het te paard, en ontdekte dat het zich kilometers lang met een constante snelheid voortplantte zonder van vorm te veranderen. Hij bouwde zelfs een watertank in zijn tuin om het fenomeen te onderzoeken. Maar hij had de latere betekenis van deze 'soliton'-golfvorm voor takken van de natuurkunde buiten het gebied van de vloeistofdynamica niet kunnen voorzien. Vandaag, optische solitonen zijn een onmisbaar onderdeel van lasertechnologie, vooral in het onderzoek naar kwantumoptica en ultrasnelle dynamica.

Natuurkundigen van het Laboratorium voor Attoseconde Fysica van de MPQ en LMU hebben nu, Voor de eerste keer, slaagde erin tijdelijke optische solitonen te produceren in een passieve vrije-ruimteresonator. Om dit te doen, ze koppelden infrarood laserpulsen van 350 femtoseconden met een golflengte van 1035 nanometer en een herhalingssnelheid van 100 MHz, in een nieuw ontworpen passieve optische resonator die bestaat uit vier spiegels en een dunne saffierplaat.

"De passage van het elektromagnetische veld van de optische puls veroorzaakt een niet-lineaire verandering in de brekingsindex van het kristal, " legt Nikolai Lilienfein uit, eerste auteur van het gepubliceerde artikel. "Dit resulteert in een dynamische faseverschuiving, die de dispersie die optreedt in de resonator volledig compenseert, terwijl tegelijkertijd het spectrum van de puls wordt verbreed." Aangezien de vermogensverliezen die onvermijdelijk optreden in de resonator gelijktijdig worden gecompenseerd door de interferometrisch gekoppelde laserbron, een soliton kan in principe oneindig in de resonator circuleren. In aanvulling, de onderzoekers ontwikkelden een zeer efficiënte methode om de energietoevoer naar de holtesoliton te regelen. In combinatie, Dankzij deze maatregelen kon het team de duur van ingangspulsen met bijna een orde van grootte comprimeren tot 37 femtoseconden, terwijl het piekvermogen met een factor 3200 werd verhoogd.

Deze verbetering-resonatortechnologie opent nieuwe mogelijkheden voor het genereren van treinen van zeer nauwkeurige extreem ultraviolet (XUV) attosecondepulsen (een attoseconde duurt een miljardste van een miljardste van een seconde). Hierdoor kunnen onderzoekers de dynamiek van subatomaire processen – en in het bijzonder de bewegingen van elektronen – nog gedetailleerder karakteriseren dan tot nu toe mogelijk was.

"De afgelopen jaren hebben we hebben de unieke voordelen van versterkingsresonatoren beschikbaar kunnen stellen voor experimenten in de attoseconde fysica. Deze nieuwe techniek opent de weg naar verdere significante vooruitgang in het pulsvermogen en de stabiliteit die met dergelijke systemen kan worden bereikt, terwijl tegelijkertijd de complexiteit van de experimentele opstelling wordt verminderd, " zegt dr. Ioachim Pupeza, leider van de groep die verantwoordelijk is voor het nieuwe werk in het LAP. Deze verbeteringen zouden ook nuttig zijn in de context van XUV-frequentiekamspectroscopie, die centraal staat in de ontwikkeling van een nieuwe generatie optische klokken op basis van kwantumovergangen in atoomkernen.