Les lasers qui émettent des impulsions lumineuses ultracourtes sont des composants essentiels des technologies, y compris les communications et le traitement industriel, et ont été au cœur de la recherche fondamentale en physique lauréate du prix Nobel. Bien qu'inventé pour la première fois dans les années 1960, le mécanisme exact par lequel les lasers produisent réellement de tels éclairs lumineux est resté insaisissable. Il n'était pas possible auparavant de regarder à l'intérieur d'un laser lorsqu'il est d'abord allumé pour voir comment les impulsions laser s'accumulent à partir du bruit. Cependant, recherche récemment publiée en ligne dans Photonique de la nature a démontré pour la première fois comment les impulsions laser émergent de nulle part à partir du bruit, puis affichent une dynamique complexe d'effondrement et d'oscillation avant de finalement s'installer à un fonctionnement régulier stable.

« La raison pour laquelle la compréhension de ces lasers a été si difficile est que les impulsions qu'ils produisent sont généralement d'une durée de la picoseconde ou plus courte. Suite à la dynamique d'accumulation complexe d'impulsions aussi courtes pour des centaines, parfois des milliers de salves avant que le laser ne se stabilise réellement ont dépassé les capacités des techniques de mesure optique, " dit le professeur Goëry Genty, qui a supervisé la recherche au Laboratoire de photonique de l'Université de technologie de Tampere (TUT).

Cette recherche a été réalisée en collaboration entre l'Institut FEMTO-ST en France (CNRS et Université de Bourgogne-Franche-Comté) et le Laboratoire de Photonique du TUT. L'avancée scientifique particulière qui a conduit aux nouvelles découvertes est la mesure en temps réel de l'intensité temporelle du laser avec une résolution inférieure à la picoseconde, ainsi que son spectre optique avec une résolution sub-nanométrique. En enregistrant simultanément ces propriétés temporelles et spectrales, un algorithme de calcul avancé peut récupérer les caractéristiques complètes du champ électromagnétique sous-jacent.

En plus de fournir de nouvelles informations sur le fonctionnement des lasers pulsés, les résultats de la recherche ont d'importantes applications interdisciplinaires.

« Les résultats fournissent un exemple de laboratoire très pratique de ce qu'on appelle un « système dissipatif de solitons », qui est un concept central en science non linéaire et également pertinent pour les études dans d'autres domaines, comme la biologie, la médecine et peut-être même les sciences sociales, " dit le professeur John. M. Dudley, qui a dirigé les recherches à l'Université de Bourgogne-Franche-Comté.

En reconstituant l'évolution du champ électromagnétique, l'équipe a observé un large éventail de scénarios d'interaction entre des structures solitons dissipatives émergeant du bruit.

"L'approche que nous avons mise en œuvre peut fonctionner à de faibles niveaux de puissance d'entrée et à des vitesses élevées. Les résultats offrent une toute nouvelle fenêtre sur des interactions inédites entre les solitons dissipatifs émergents sous forme de collisions, fusionner ou s'effondrer", dit Genty.

Les chercheurs pensent que leurs résultats permettront d'améliorer la conception et les performances des lasers pulsés ultrarapides.

"Il s'agit d'un domaine de recherche vraiment fascinant où les études motivées par des questions de science fondamentale ont le potentiel d'avoir un impact pratique réel dans la future technologie photonique, " conclut Dudley.