Les physiciens du laser basés au Laboratoire de physique attoseconde dirigé par l'Institut Max Planck d'optique quantique et l'Université Ludwig-Maximilian ont, pour la première fois, généré des solitons dissipatifs en passif, résonateurs en espace libre.

Les solitons sont les plus stables de toutes les vagues. Dans des conditions qui entraînent la dispersion de toutes les autres formes d'onde, un soliton continuera sans être dérangé sur son chemin solitaire, sans changer le moins du monde sa forme ou sa vitesse. Les propriétés d'auto-stabilisation des solitons expliquent leur immense importance dans le domaine de l'optique laser, en particulier pour la génération d'impulsions lumineuses ultracourtes. Une équipe dirigée par le Dr Ioachim Pupeza au Laboratoire de Physique Attoseconde (LAP) à Munich, qui est géré conjointement par le Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) et l'Université Ludwig-Maximilian (LMU), a maintenant généré pour la première fois des solitons optiques dans des résonateurs passifs en espace libre. La technique permet de compresser les impulsions laser tout en augmentant leur puissance crête, ouvrir de nouvelles applications pour les cavités d'amélioration en espace libre dans l'exploration de la dynamique ultrarapide et en spectroscopie de précision.

Le jeune ingénieur John Scott Russell observa pour la première fois la formation d'une vague d'eau solitaire dans un canal d'Édimbourg en 1834. Il la suivit à cheval, et a constaté qu'il se propageait à une vitesse constante sur des kilomètres sans changer de forme. Il a même construit un réservoir d'eau dans son jardin pour enquêter sur le phénomène. Mais il n'aurait pas pu prévoir la signification ultérieure de cette forme d'onde « soliton » pour les branches de la physique au-delà du domaine de la dynamique des fluides. Aujourd'hui, les solitons optiques sont un composant indispensable de la technologie laser, en particulier dans l'étude de l'optique quantique et de la dynamique ultrarapide.

Les physiciens du Laboratoire de physique attoseconde du MPQ et du LMU ont désormais, pour la première fois, réussi à produire des solitons optiques temporels dans un résonateur passif en espace libre. Faire cela, ils ont couplé des impulsions laser infrarouges de 350 femtosecondes avec une longueur d'onde de 1035 nanomètres et un taux de répétition de 100 MHz, dans un résonateur optique passif nouvellement conçu composé de quatre miroirs et d'une fine plaque de saphir.

"Le passage du champ électromagnétique de l'impulsion optique provoque une variation non linéaire de l'indice de réfraction du cristal, " explique Nikolaï Lilienfein, premier auteur de l'article publié. "Il en résulte un déphasage dynamique, qui compense totalement la dispersion qui se produit dans le résonateur, tout en élargissant le spectre de l'impulsion. » Étant donné que les pertes de puissance qui se produisent inévitablement dans le résonateur sont simultanément compensées par la source laser couplée de manière interférométrique, un soliton peut en principe circuler à l'infini dans le résonateur. En outre, les chercheurs ont développé une méthode très efficace pour contrôler l'apport d'énergie au soliton de la cavité. En combinaison, ces mesures ont permis à l'équipe de compresser la durée des impulsions d'entrée de près d'un ordre de grandeur à 37 femtosecondes tout en augmentant leur puissance de crête d'un facteur de 3 200.

Cette technologie de rehaussement-résonateur ouvre de nouvelles opportunités pour la génération de trains d'impulsions attosecondes dans l'ultraviolet extrême (XUV) de haute précision (une attoseconde dure un milliardième de milliardième de seconde). Cela pourrait à son tour permettre aux chercheurs de caractériser la dynamique des processus subatomiques – et en particulier d'observer les mouvements des électrons – avec encore plus de détails qu'il n'était possible jusqu'à présent.

« Au cours des dernières années, nous avons pu mettre à disposition les avantages uniques des résonateurs d'amélioration pour des expériences en physique attoseconde. Cette nouvelle technique ouvre la voie à d'autres avancées significatives dans la puissance d'impulsion et la stabilité réalisables avec de tels systèmes, tout en réduisant la complexité du montage expérimental, " dit le Dr Ioachim Pupeza, chef du groupe responsable des nouveaux travaux au LAP. Ces améliorations seraient également bénéfiques dans le cadre de la spectroscopie à peigne de fréquence XUV, qui est au cœur du développement d'une nouvelle génération d'horloges optiques basées sur les transitions quantiques dans les noyaux atomiques.