Lasrar som avger ultrakorta ljuspulser är kritiska komponenter i teknologin, inklusive kommunikation och industriell bearbetning, och har varit centrala för grundläggande Nobelprisbelönt forskning i fysik. Även om det uppfanns först på 1960-talet, den exakta mekanismen genom vilken lasrar faktiskt producerar så starka ljusblixtar har förblivit svårfångad. Det har tidigare inte varit möjligt att titta inuti en laser då den först slås på för att se hur laserpulserna byggs upp av brus. Dock, forskning som nyligen publicerats online i Nature Photonics har för första gången demonstrerat hur laserpulser uppstår från ingenstans från brus och sedan visar komplex kollaps- och oscillationsdynamik innan de så småningom sätter sig till stabil normal drift.

"Anledningen till att det har varit så svårt att förstå dessa lasrar är att pulserna de producerar vanligtvis är av picosekunders varaktighet eller kortare. Efter den komplexa uppbyggnadsdynamiken hos sådana korta pulser för hundratals, ibland har tusentals skurar innan lasern faktiskt stabiliserats varit bortom kapaciteten för optiska mättekniker, " säger professor Goëry Genty, som ledde forskningen i Laboratoriet för fotonik vid Tammerfors tekniska universitet (TUT).

Denna forskning utfördes i samarbete mellan FEMTO-ST Institute i Frankrike (CNRS och University of Bourgogne-Franche-Comté) och Laboratory of Photonics vid TUT. Det särskilda vetenskapliga framstegen som ledde till de nya fynden är realtidsmätningen av laserns temporala intensitet med sub-picosecond-upplösning, samt dess optiska spektrum med sub-nanometerupplösning. Genom att registrera både dessa tidsmässiga och spektrala egenskaper samtidigt, en avancerad beräkningsalgoritm kan hämta de fullständiga egenskaperna hos det underliggande elektromagnetiska fältet.

Förutom att ge nya insikter om hur pulsade lasrar fungerar, forskningsresultaten har viktiga tvärvetenskapliga tillämpningar.

"Resultaten ger ett mycket bekvämt laboratorieexempel på vad som är känt som ett "dissipativt solitonsystem" som är ett centralt begrepp inom icke-linjär vetenskap och även relevant för studier inom andra områden, som biologi, medicin och möjligen även samhällsvetenskap, " säger professor John. M. Dudley, som ledde forskningen vid universitetet i Bourgogne-Franche-Comté.

När man rekonstruerar utvecklingen av det elektromagnetiska fältet, teamet observerade ett brett utbud av interaktionsscenarier mellan dissipativa solitonstrukturer som uppstod från buller.

"Det tillvägagångssätt som vi har implementerat kan fungera vid låga ineffektnivåer och höga hastigheter. Resultaten ger ett helt nytt fönster på tidigare osynliga interaktioner mellan framväxande dissipativa solitoner i form av kollisioner, slås samman eller kollapsa", säger Genty.

Forskarna tror att deras resultat kommer att möjliggöra förbättrad design och prestanda för ultrasnabba pulsade lasrar.

"Detta är ett verkligt fascinerande forskningsområde där studier motiverade av frågor inom grundläggande vetenskap har potential att få verklig praktisk effekt i framtida fotonisk teknik, avslutar Dudley.