Les solitons ultracourts se superposent et produisent des motifs d’interférence spectrale : la spectroscopie en temps réel résout leur dynamique rapide et suit la commutation des molécules de solitons dans un laser à fibre femtoseconde. L’image montre des spectres expérimentaux successifs enregistrés au cours d’un processus de commutation. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Moritz B. Heindl
Les flashs de lumière ultracourts d’une durée inférieure à un quadrillionième de seconde prennent une importance technologique croissante. Dans les sources laser, des paires et des groupes de flashs lumineux peuvent être créés au lieu de flashs individuels. Semblables aux atomes chimiquement liés dans une molécule, ils sont couplés les uns aux autres et leurs courts intervalles temporels peuvent posséder une stabilité remarquable. Des chercheurs des universités de Bayreuth et de Constance ont maintenant révélé une cause du couplage stable des flashs lumineux ultracourts et ont trouvé un moyen de contrôler leur espacement à la fois très précisément et rapidement.
Les flashs lumineux plus courts qu’un quadrillionième de seconde sont également appelés impulsions femtosecondes. Aujourd’hui, ils sont utilisés pour la recherche de matériaux énergétiques, dans la fabrication 3D de composants ou comme scalpels de précision en médecine. Dans les lasers, ces flashs sont créés sous forme de solitons, des paquets stables d’ondes lumineuses.
Les découvertes sur leur couplage qui ont maintenant été publiées ont été obtenues sur un résonateur laser. Celui-ci contient un anneau de fibres de verre qui permet aux solitons de circuler à l’infini. Dans de tels systèmes, on observe souvent des flashs femtosecondes couplés, appelés molécules de solitons. En utilisant la spectroscopie en temps réel à haute résolution, l’équipe de recherche a réussi à suivre la dynamique de deux flashs couplés en temps réel sur plusieurs centaines de milliers d’orbites.
Sur la base de ces données, les scientifiques ont pu montrer que ce sont les réflexions optiques au sein du résonateur laser qui couplent les solitons individuels dans le temps et dans l’espace. Les distances de liaison pourraient être prédites sur la base des différences de temps de transit au sein du résonateur et pourraient finalement être ajustées avec précision en déplaçant les éléments optiques.
De plus, la nouvelle étude montre comment le lien entre deux flashs peut être rapidement desserré et un nouveau lien créé. Il est désormais possible, par exemple, d’alterner spécifiquement entre des éclairs lumineux qui se produisent par paires et ont des intervalles temporels différents.
« Sur la base des résultats de nos recherches, il est désormais possible de changer de molécules de solitons en appuyant simplement sur un bouton. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour l’application technique des impulsions femtosecondes, notamment en spectroscopie et en traitement des matériaux », déclare Luca Nimmesgern B.Sc., premier auteur de l’étude et étudiant en master de physique à l’Université de Bayreuth.
Les résultats obtenus au résonateur laser peuvent être transférés à une variété de sources laser à impulsions ultracourtes. Par conséquent, il est possible de générer des flashs lumineux couplés dans d’autres systèmes laser et de changer leurs distances sans trop d’effort.
« Depuis les premiers rapports de paires d’impulsions dans les lasers à fibre il y a plus de 20 ans, différentes explications ont été proposées pour la stabilité des molécules de solitons dans les lasers. Les modèles habituels ont été contredits par de nombreuses observations, mais sont encore utilisés aujourd’hui. Notre nouvelle étude propose désormais pour la première fois une explication précise compatible avec les données mesurées. D’une certaine manière, il fournit une pièce du puzzle qui rend compréhensible une multitude de données antérieures. Désormais, la physique complexe des lasers peut être utilisée spécifiquement pour générer des séquences de solitons à grande vitesse », explique Georg Herink, professeur junior de dynamique ultrarapide à l’Université de Bayreuth et coordinateur des travaux de recherche.
Le co-auteur, le professeur Dr. Alfred Leitenstorfer de l’Université de Constance, dont le groupe de recherche développe des lasers à fibre comme outil de spectroscopie depuis des années, ajoute : « Sur la base de nos nouvelles découvertes, nous pouvons nous attendre à la réalisation de technologies technologiques polyvalentes. applications.”
À l’Université de Bayreuth, un projet de recherche DFG a récemment été lancé dans le but de comprendre en détail les interactions entre les solitons ultracourts dans les sources laser et de les rendre utilisables pour de futures applications laser.
Référence : « Soliton molécules in femtosecond fiber lasers: universal binding mécanisme and direct electronic control » par Luca Nimmesgern, Cornelius Beckh, Hannes Kempf, Alfred Leitenstorfer et Georg Herink, 19 octobre 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.439905
