A path to compact, robust sources for ultrashort laser pulses
Laser researchers in Munich are challenging a basic assumption of engineering: "You can't have it all." They have shown that for certain kinds of laser applications in biomedical imaging, material processing, and communications, a new approach could deliver the desired capabilities with no problematic tradeoffs: in compact, inexpensive, efficient and long-lived devices that produce ultrashort, high-energy light pulses. This research is a close collaboration between members of the Electrical Engineering and Information Technology Department at the Technische Universitaet Muenchen (TUM) and the Physics Department of LMU Munich.
Their latest paper, published in Nature Communications, describes experiments showing that cheap, robust semiconductor lasers can produce high-energy light pulses as short as 60 picoseconds (trillionths of a second) without the drawbacks of previous approaches in terms of power consumption and device size. At the same time it presents theoretical results predicting that this technique will break the next barrier for such lasers: subpicosecond pulses.
"Our models and simulations actually let us identify changes in the experimental setup that could yield a further thousand-fold improvement in performance," says Dr. Christian Jirauschek of TUM, "potentially producing pulses shorter than 30 femtoseconds."
Reshaping continuous wave output to short intense pulses
The Munich researchers' approach employs a relatively new kind of laser in a novel configuration. Dr. Robert Huber, leader of the LMU group, is co-inventor of this device, the Fourier domain mode-locked (FDML) laser. Rather than emitting light centered on one highly specific "color," the FDML laser rapidly and repeatedly sweeps through a range of wavelengths. The idea behind the experiment now is to reshape the continuous wave output from the FDML laser to short intense pulses.
"The advantage of this experimental configuration," Huber explains, "comes from storing the entire energy of each FDML laser sweep directly as a light field -- spread out like colors of an infrared rainbow -- in a kilometer-long optical fiber inside the laser resonator." This is more efficient than storing the energy in the semiconductor structure of the laser source. The different wavelength components travel at different speeds and enter a second optical fiber, outside the laser, at different times. This second fiber is laid out so that the different speeds exactly compensate for the different entry times: All colors exit the second fiber at the same time, forming a short laser pulse. This is the key to preserving high output energy even while shortening the pulse time -- without increasing power consumption or requiring the use of a larger device.
This research was supported by the Emmy Noether program of the German Research Foundation (DFG) -- HU 1006/2-1, JI 115/1-1; by the DFG project JI 115/2-1; and by the European Union through FUN OCT (FP7 HEALTH, contract number 201880) and FDML-Raman (ERC contract 259158).
Созданы новые твердотельные лазеры, способные вырабатывать сверхкороткие импульсы света
Исследователи из Технологического университета Мюнхена (Technische Universitaet Muenchen, TUM) доказали, что выражение "этого не может быть, потому что этого быть не может" верно далеко не во всех случаях. Им удалось создать твердотельный лазер, способный вырабатывать мощные сверхкороткие импульсы света, длящиеся десятки пикосекунд, что открывает путь к разработке новых биомедицинских технологий, обработке материалов, коммуникациях и научных исследованиях, а твердотельная природа нового высокоскоростного лазера позволит создавать на его основе компактные, недорогие, эффективные и надежные электронные устройства.
Оригинальная конструкция нового лазера позволяет ему произвести высокоэнергетические импульсы света, длительностью всего 60 пикосекунд, при этом практически отсутствуют все недостатки, которыми обладали высокоскоростные твердотельные лазеры предыдущих поколений, связанные с габаритами устройства, количеством потребляемой энергии и выделяемого устройством тепла. Помимо этого, новый лазер представляет собой практическое подтверждение теоретических расчетов, указывающих на то, что с помощью подобной технологии можно создать лазер, способный вырабатывать импульсы света, длительностью менее одной пикосекунды. "Наши теоретические модели и их практическое воплощение позволят нам определиться с последующими изменениями в экспериментальной установке, которые позволят увеличить эффективность работы полупроводникового лазера и существенно улучшить его характеристики" - рассказывает доктор Кристиан Джирошек (Dr. Christian Jirauschek), ученый из Технологического университета Мюнхена, - "Теория утверждает, что с помощью такого лазера можно добиться длительности импульса в 30 фемтосекунд, так что нам есть к чему стремиться".
Перестройка непрерывный выходных волны для коротких интенсивных импульсов
Группа ученых из Мюнхена реализовала относительно новый вид лазера (Fourier domain mode-locked laser, FDML) в совершенно новой конфигурации. В обычном режиме лазеры FDML, вместо излучения света строго определенной длины волны (цвета), излучают свет в широком диапазоне, быстро и в бесконечном цикле "пробегая" по всему диапазону длин волн света. Целью исследований, которые провели немецкие ученые, являлось изменение режима работы FDML-лазера таким образом, что он вместо непрерывного потока света стал излучать сверхкороткие импульсы с высокой энергией.
"Преимущество нашей экспериментальной конфигурации лазера заключается в возможности накопления и хранения всей необходимой для импульса энергии в виде инфракрасного света внутри лазерного резонатора, в роли которого выступает оптоволоконный кабель, длиной в один километр. Это более эффективно, нежели накопление энергии в виде электрического заряда внутри кристалла самого лазера. Запасенная энергия в виде света различных длин волн подается во второй оптоволоконный кабель, который выложен по особому маршруту, что позволяет компенсировать различие во времени входа волн света различной длины. А на выходе второго участка оптоволокна получается чрезвычайно короткий импульс света, волны которого несут значительное количество энергии". Описанные выше принципы построения нового FDML-лазера позволили добиться существенного повышения энергии лазерного импульса за счет снижения его длительности. При этом, такая система позволила сделать это без необходимости затрат дополнительной энергии и при весьма скромных габаритах всей экспериментальной установки.