Laserfysiker baserade på Laboratory for Attosecond Physics som drivs av Max Planck Institute of Quantum Optics och Ludwig-Maximilian University har, för första gången, genererade dissipativa solitoner i passiva, resonatorer i fritt utrymme.

Solitons är den mest stabila av alla vågor. Under förhållanden som resulterar i spridning av alla andra vågformer, en soliton kommer att fortsätta ostört på sitt ensamma sätt, utan att ändra dess form eller hastighet det minsta. De självstabiliserande egenskaperna hos solitons förklarar deras oerhörda betydelse för området laseroptik, i synnerhet för generering av ultrakorta ljuspulser. Ett team som leds av Dr. Ioachim Pupeza vid Laboratory of Attosecond Physics (LAP) i München, som drivs gemensamt av Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) och Ludwig-Maximilian University (LMU), har nu genererat optiska solitoner i passiva frirumsresonatorer för första gången. Tekniken gör att man kan komprimera laserpulser samtidigt som man ökar sin toppeffekt, öppnar upp nya applikationer för hålrum för förbättring av lediga utrymmen vid utforskning av ultrasnabb dynamik och i precisionsspektroskopi.

Den unge ingenjören John Scott Russell observerade först bildandet av en ensam vattenvåg i en kanal i Edinburgh 1834. Han följde den till häst, och fann att den förökade sig med en konstant hastighet i miles utan att ändra dess form. Han byggde till och med en vattentank i sin trädgård för att undersöka fenomenet. Men han kunde inte ha förutspått den efterföljande betydelsen av denna "soliton" -vågform för grenar av fysik bortom området för vätskedynamik. I dag, optiska solitoner är en oumbärlig komponent i laserteknik, särskilt i undersökningen av kvantoptik och ultrasnabb dynamik.

Fysiker vid Laboratory for Attosecond Physics som drivs av MPQ och LMU har nu, för första gången, lyckades producera temporära optiska solitoner i en passiv friutrymme-resonator. Att göra så, de kopplade 350-femtosekund infraröda laserpulser med en våglängd på 1035 nanometer och en upprepningshastighet på 100 MHz, in i en nydesignad passiv optisk resonator som består av fyra speglar och en tunn safirplatta.

"Passagen av det optiska pulsens elektromagnetiska fält orsakar en olinjär förändring av brytningsindexet för kristallen, "förklarar Nikolai Lilienfein, första författare till den publicerade uppsatsen. "Detta resulterar i ett dynamiskt fasskifte, som helt kompenserar för dispersionen som uppstår i resonatorn, samtidigt som bredden av pulsspektrumet. "Eftersom de effektförluster som oundvikligen uppstår i resonatorn samtidigt kompenseras av den interferometriskt kopplade laserkällan, en soliton kan i princip cirkulera ad infinitum i resonatorn. Dessutom, forskarna utvecklade en mycket effektiv metod för att styra energiinmatningen till hålrumssolitonen. I kombination, dessa åtgärder gjorde att laget kunde komprimera varaktigheten av ingångspulser med nästan en storleksordning till 37 femtosekunder samtidigt som deras toppeffekt ökades med en faktor 3200.

Denna förbättringsresonatorteknologi öppnar nya möjligheter för generation av tåg med mycket exakta extrema ultravioletta (XUV) attosekundpulser (en attosekund varar i en miljarddel av en miljarddel av en sekund). Detta kan i sin tur göra det möjligt för forskare att karakterisera dynamiken i subatomära processer - och i synnerhet att observera elektronernas rörelser - i ännu större detalj än vad som hittills varit möjligt.

"Under de senaste åren har vi har kunnat göra de unika fördelarna med förbättringsresonatorer tillgängliga för experiment inom attosekundfysik. Denna nya teknik öppnar en väg mot ytterligare betydande framsteg i pulskraften och stabiliteten som kan uppnås med sådana system, samtidigt som man minskar komplexiteten i den experimentella installationen, "säger Dr Ioachim Pupeza, ledare för gruppen som ansvarar för det nya arbetet i LAP. Dessa förbättringar skulle också vara till nytta i samband med XUV-frekvenskammspektroskopi, vilket är centralt för utvecklingen av en ny generation optiska klockor baserade på kvantövergångar i atomkärnor.