Leistungsstarke ultrakurze Pulse Mamyshev-Oszillatoren mit harmonischer Modenkopplung

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Forscher haben die physikalischen Mechanismen der Laseremission von Mamyshev-Oszillatoren mit harmonischer Modenkopplung erstmals umfassend experimentell untersucht, um leistungsstarke und ultrakurze Pulse mit Lasern zu erzeugen. Damit können solche Lasersysteme künftig in Industrie und Forschung entwickelt und eingesetzt werden.

Lasertechniken werden kontinuierlich optimiert, um um sie in vielen modernen Anwendungen in Elektronik, Telekommunikation und Mikrobearbeitung zu überführen. Unter den jüngsten Fortschritten stechen Mamyshev-Oszillatoren hervor, welche durch ihre spezielle Architektur besonders leistungsstarke ultrakurze Pulse generieren können. Aufgrund dieser Eigenschaften spielen sie bereits vermehrt eine Schlüsselrolle bei präzisen Anwendungen in der Lasermesstechnik, optische Datenkommunikation und Fertigungsverfahren.

Mamyshev-Oszillatoren (MOs) sind spezielle faserbasierte Laser mit einer besonderen Funktionsweise: Sie nutzen einen nichtlinearen Pulseffekt, der als Mamyshev-Regenerator bekannt ist, um ultrakurze Lichtpulse hoher Energie und variabler Wiederholrate zu generieren. Dabei durchlaufen ausgangsseitig geformte Pulse im Oszillator periodisch einen faseroptischen Aufbau, in dem sie sowohl spektral gefiltert als auch regeneriert werden. Diese Kombination ermöglicht eine hohe Pulsqualität, Stabilität sowie eine flexible Steuerung der Pulsparameter. Das sind zentrale Vorteile gegenüber herkömmlichen Modenkopplungssystemen.

Harmonische Modenkopplung in Mamyshev-Oszillatoren

In einer kürzlich durchgeführten Studie hat ein Forscherteam der Hunan-Universität in China die physikalischen Mechanismen hinter der Laseremission von Mamyshev-Oszillatoren mit harmonischer Modenkopplung erstmals umfassend experimentell untersucht. Diese Erkenntnisse helfen, die Zugänglichkeit und Leistungsfähigkeit solcher Systeme deutlich zu steigern.

Mamyshev-Oszillatoren, die eine spezielle Variante der Modenkopplung namens harmonische Modenkopplung (Harmonic Mode-Locking, HML) nutzen, erzeugen mehrere Laserimpulse innerhalb eines einzigen Umlaufs im Laserresonator. Besonders attraktiv ist diese Technik, da sie hochflexible und energieeffiziente Lasersysteme hervorbringt, die in optischer Kommunikation, Frequenzmetrologie und Präzisionsfertigung einsetzbar sind.

Trotz dieser umfassenden Anwendungsvielfalt gab es bislang vergleichsweise wenig Klarheit darüber, auf welche Weise sich die Lichtpulse innerhalb eines MO zu einem stabilen Pulszustand aufbauen. Mittels eines vollständig faserbasierten, erbiumdotierten Mamyshev-Oszillators sowie einer modernen Echtzeit-Analysetechnik (Time-Stretch Dispersive Fourier Transform, kurz TS-DFT) untersuchten die chinesischen Wissenschaftler die internen Dynamiken bei der Pulsbildung.

Phasen der Pulsentstehung in Mamyshev-Oszillatoren

Aus den experimentellen Beobachtungen konnten die Forscher fünf verschiedene Phasen der Pulsentstehung im MO identifizieren:

• Relaxationsoszillationen,

• Multipulsbetrieb,

• Puls-Kollaps und Rekonstruktion,

• Instabiler Zustand harmonischer Modenkopplung und

• Finaler stabiler Zustand harmonischer Modenkopplung.

Entscheidend dabei war die Feststellung, dass – entgegen der bisherigen Erwartung – nicht eine Pulse-Teilung (Pulse Splitting) eines einzelnen Pulses der vorherrschende Mechanismus ist. Vielmehr konnten die Forscher erstmals nachweisen, dass die Pulsbildung durch gezielte Verstärkung mehrerer anfänglich eingebrachter Startpulse (Seeding Pulse) erfolgt, kombiniert mit einer anschließenden Neukonfiguration der Pulsenergie innerhalb des Resonators. Dieses Verhalten wurde zusätzlich mittels numerischer Simulation bestätigt.

Die erzielten Ergebnisse beeindruckten auch durch das gemessene Signal-Rausch-Verhältnis von über 80 dB. Das ist ein Indiz für die hohe Stabilität der erzeugten Laserimpulse. Studienleiter Dr. Ning Li erläutert: „Unsere Ergebnisse bieten ein vertieftes Verständnis für die komplexe Dynamik bei der Entstehung stabiler HML-Pulse im Mamyshev-Oszillator. Somit entstehen verbesserte Möglichkeiten, Leistungsfähigkeit und Anwendungspotenzial solcher Systeme gezielt zu steigern und aktiv zu regulieren.“

Die Ergebnisse dieser Studie, publiziert im Journal of Lightwave Technology, könnten künftig maßgeblich dazu beitragen, die Planung, Entwicklung und Anwendung Mamyshev-basierter Lasersysteme in anspruchsvollen industriellen und wissenschaftlichen Umfeld weiter voranzutreiben. (heh)

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