gepulster Laser mit ultrahoher Wiederholrate
In der mikroskopischen Welt der Wechselwirkung von Licht und Materie fungieren Pulse mit ultrahoher Wiederholrate (UHRP) als präzise Zeitmesser: Sie oszillieren mit mehr als einer Milliarde Mal pro Sekunde (1 GHz) und erfassen so die molekularen Fingerabdrücke von Krebszellen in der Spektralbildgebung, übertragen enorme Datenmengen in der Glasfaserkommunikation und kalibrieren die Wellenlängenkoordinaten von Sternen in Teleskopen. Insbesondere im Zuge des Fortschritts in der Lidar-Technologie erweisen sich Terahertz-Pulslaser mit ultrahoher Wiederholrate (100–300 GHz) als leistungsstarke Werkzeuge, um die Interferenzschicht zu durchdringen und die Grenzen der dreidimensionalen Wahrnehmung durch die räumlich-zeitliche Manipulation auf Photonenebene neu zu definieren. Derzeit ist die Verwendung künstlicher Mikrostrukturen, wie beispielsweise Mikro-Ringresonatoren, die eine nanometergenaue Bearbeitung zur Erzeugung von Vierwellenmischung (FWM) erfordern, eine der wichtigsten Methoden zur Gewinnung optischer Pulse mit ultrahoher Wiederholrate. Wissenschaftler konzentrieren sich auf die Lösung der technischen Herausforderungen bei der Bearbeitung ultrafeiner Strukturen, der Frequenzabstimmung während der Pulserzeugung und der Konversionseffizienz nach der Pulsgenerierung. Ein weiterer Ansatz besteht in der Verwendung hochgradig nichtlinearer Fasern und der Nutzung des Modulationsinstabilitäts- oder Vierwellenmischungseffekts (FWM) im Laserresonator zur Anregung von Ultrahochleistungs-Resonatoren (UHRPs). Bislang benötigen wir jedoch noch einen präziseren „Zeitformer“.
Der Prozess der Erzeugung von UHRP durch Einspeisung ultraschneller Pulse zur Anregung des dissipativen FWM-Effekts wird als „ultraschnelle Zündung“ bezeichnet. Anders als das oben erwähnte künstliche Mikroresonator-Schema, das kontinuierliches Pumpen, eine präzise Verstimmung zur Steuerung der Pulserzeugung und die Verwendung hochgradig nichtlinearer Medien zur Senkung der FWM-Schwelle erfordert, nutzt diese „Zündung“ die Spitzenleistungscharakteristik ultraschneller Pulse zur direkten Anregung von FWM und erzielt nach dem „Abschalten“ der Zündung selbsterhaltende UHRP.
Abbildung 1 veranschaulicht den Kernmechanismus der Pulsselbstorganisation durch Anregung dissipativer Faserringresonatoren mit ultraschnellen Seed-Pulsen. Der extern eingekoppelte ultrakurze Seed-Puls (Periode T0, Wiederholfrequenz F) dient als „Zündquelle“ zur Anregung eines Hochleistungspulsfelds im Resonator. Das intrazelluläre Verstärkungsmodul arbeitet synergistisch mit dem Spektralformer zusammen, um die Energie des Seed-Pulses durch gemeinsame Regelung im Zeit-Frequenz-Bereich in eine kammförmige spektrale Antwort umzuwandeln. Dieses Verfahren überwindet die Grenzen des herkömmlichen kontinuierlichen Pumpens: Der Seed-Puls schaltet sich ab, sobald er die FWM-Schwelle der Dissipation erreicht, und der Resonator erhält den selbstorganisierenden Zustand des Pulses durch das dynamische Gleichgewicht von Verstärkung und Dämpfung aufrecht. Die Pulswiederholfrequenz beträgt dabei Fs (entsprechend der Eigenfrequenz FF und der Periode T des Resonators).
Diese Studie beinhaltete auch eine theoretische Überprüfung. Basierend auf den im experimentellen Aufbau verwendeten Parametern und mit einer 1-ps-Auflösung.ultraschneller PulslaserAls Ausgangsfeld wurde eine numerische Simulation des zeitlichen und frequenzbezogenen Verlaufs des Pulses im Laserresonator durchgeführt. Dabei zeigte sich, dass der Puls drei Phasen durchläuft: Pulsaufspaltung, periodische Pulsoszillation und gleichmäßige Pulsverteilung im gesamten Laserresonator. Dieses numerische Ergebnis bestätigt die selbstorganisierenden Eigenschaften des Lasers.Pulslaser.
Durch Auslösen des Vierwellenmischungseffekts im dissipativen Faserringhohlraum mittels ultraschneller Seed-Impulszündung wurde die selbstorganisierende Erzeugung und Aufrechterhaltung von Sub-THZ-Impulsen mit ultrahoher Wiederholfrequenz (stabile Ausgangsleistung von 0,5 W nach Abschalten des Seed-Impulses) erfolgreich realisiert. Dies stellt eine neuartige Lichtquelle für die Lidar-Technologie dar: Die Sub-THZ-Frequenzerhöhung ermöglicht eine Verbesserung der Punktwolkenauflösung auf Millimeterebene. Die selbsterhaltende Impulsfunktion reduziert den Energieverbrauch des Systems signifikant. Die Vollfaserstruktur gewährleistet einen hochstabilen Betrieb im augensicheren 1,5-µm-Band. Zukünftig dürfte diese Technologie die Entwicklung fahrzeugmontierter Lidar-Systeme hin zu Miniaturisierung (basierend auf MZI-Mikrofiltern) und Reichweitenmessung (Leistungssteigerung auf > 1 W) vorantreiben und sich durch koordinierte Mehrwellenlängenzündung und intelligente Regelung an die Wahrnehmungsanforderungen komplexer Umgebungen anpassen.
Veröffentlichungsdatum: 08.07.2025