Eine Illustration des Glasfaser-Kerr-Resonators, den Rochester-Forscher mit einem Spektralfilter verwendeten, um stark gechirpte Laserpulse zu erzeugen. Das Regenbogenmuster im Vordergrund zeigt, wie die Farben eines gezwitscherten Laserpulses zeitlich getrennt sind. Bildnachweis: Illustration der University of Rochester / Michael Osadciw
Forscher der University of Rochester beschreiben erste stark gechirpte Pulse, die durch die Verwendung eines Spektralfilters in einem Kerr-Resonator erzeugt werden.
Den Nobelpreis 2018 für Physik teilten sich Forscher, die an der University of Rochester eine Technik zur Erzeugung ultrakurzer, aber extrem hochenergetischer Laserpulse entwickelt haben.
Jetzt haben Forscher am Institut für Optik der Universität dieselben Hochleistungsimpulse – bekannt als Chirp-Impulse – auf eine Weise erzeugt, die sogar mit relativ minderwertiger, kostengünstiger Ausrüstung funktioniert. Die neue Arbeit könnte den Weg ebnen für:
- Bessere Hochleistungs-Telekommunikationssysteme
- Verbesserte astrophysikalische Kalibrierungen zum Auffinden von Exoplaneten
- Noch genauere Atomuhren
- Präzise Geräte zur Messung chemischer Schadstoffe in der Atmosphäre
In einem Papier in Opticabeschreiben die Forscher die erste Demonstration stark gechirpter Impulse, die durch die Verwendung eines Spektralfilters in einem Kerr-Resonator erzeugt werden – eine Art einfacher optischer Hohlraum, der ohne Verstärkung arbeitet. Diese Hohlräume haben unter Forschern großes Interesse geweckt, weil sie „eine Fülle komplizierter Verhaltensweisen unterstützen können, einschließlich nützlicher Breitbandlichtstöße“, sagt Co-Autor William Renninger, Assistenzprofessor für Optik.
Durch Hinzufügen des Spektralfilters können die Forscher einen Laserpuls im Resonator manipulieren, um seine Wellenfront zu verbreitern, indem die Farben des Strahls getrennt werden.
Die neue Methode ist vorteilhaft, denn „wenn Sie den Puls verbreitern, reduzieren Sie die Pulsspitze, und das bedeutet, dass Sie dann insgesamt mehr Energie hineinstecken können, bevor er eine hohe Spitzenleistung erreicht, die Probleme verursacht“, sagt Renninger.
Die neue Arbeit bezieht sich auf den Ansatz von Nobelpreisträger Donna Strickland '89 (PhD) und Gerard Mourou, die dazu beitrugen, eine Revolution in der Nutzung der Lasertechnologie einzuleiten, als sie während ihrer Forschungsarbeiten am Labor für Laserenergie der Universität Pionierarbeit für die Chirp-Pulsverstärkung leisteten.
Die Arbeit macht sich die Art und Weise zunutze, wie Licht beim Durchgang durch optische Hohlräume gestreut wird. Die meisten früheren Hohlräume erfordern eine seltene „anomale“ Dispersion, was bedeutet, dass sich blaues Licht schneller ausbreitet als rotes Licht.
Die Chirp-Pulse leben jedoch in „normalen“ Dispersionshohlräumen, in denen sich rotes Licht schneller ausbreitet. Die Dispersion wird als „normal“ bezeichnet, da dies der viel häufigere Fall ist, der die Anzahl der Hohlräume, die Impulse erzeugen können, stark erhöht.
Bekannte Resonatoren sind auch so ausgelegt, dass sie weniger als ein Prozent Verlust aufweisen, während die Chirp-Impulse trotz sehr hohem Energieverlust in der Resonator überleben können. „Wir zeigen Chirp-Impulse, die selbst bei einem Energieverlust von mehr als 90 Prozent stabil bleiben, was die herkömmliche Meinung wirklich in Frage stellt“, sagt Renninger.
„Mit einem einfachen Spektralfilter sind wir es jetzt Verwendung von Verlust, um Impulse in verlustbehafteten und normalen Dispersionssystemen zu erzeugen. Neben einer verbesserten Energieeffizienz eröffnet es also wirklich Möglichkeiten, welche Arten von Systemen verwendet werden können.“
Weitere Mitarbeiter sind der Hauptautor Christopher Spiess, Qiang Yang und Xue Dong, alle derzeitige und ehemalige wissenschaftliche Assistenten in Renningers Labor, und Victor Bucklew, ein ehemaliger Postdoktorand im Labor.
„Wir sind sehr stolz auf dieses Papier“, sagt Renninger. „Es hat lange gedauert.“
Referenz: „Chirped dissipative solitons in drived optical resonators“ von Christopher Spiess, Qian Yang, Xue Dong, Victor G. Bucklew und William H. Renninger, 10. Juni 2021, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.419771
Die University of Rochester und das National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering an den National Institutes of Health unterstützten dieses Projekt finanziell.
