I laser che emettono impulsi di luce ultracorti sono componenti critici delle tecnologie, comprese le comunicazioni e l'elaborazione industriale, e sono stati fondamentali per la ricerca fondamentale in fisica, vincitrice del premio Nobel. Sebbene inventato per la prima volta negli anni '60, l'esatto meccanismo con cui i laser producono effettivamente lampi di luce così luminosi è rimasto sfuggente. In precedenza non era possibile guardare all'interno di un laser quando viene acceso per la prima volta per vedere come gli impulsi laser si accumulano dal rumore. Però, ricerca recentemente pubblicata online in Fotonica della natura ha dimostrato per la prima volta come gli impulsi laser emergano dal nulla dal rumore e quindi mostrino complesse dinamiche di collasso e oscillazione prima di stabilizzarsi in un funzionamento regolare stabile.

"Il motivo per cui comprendere questi laser è stato così difficile è perché gli impulsi che producono sono tipicamente della durata di picosecondi o più brevi. Seguendo le complesse dinamiche di accumulo di impulsi così brevi per centinaia, a volte migliaia di raffiche prima che il laser si stabilizzi effettivamente sono andate oltre la capacità delle tecniche di misurazione ottica, "dice il professor Goëry Genty, che ha supervisionato la ricerca nel Laboratorio di Fotonica presso la Tampere University of Technology (TUT).

Questa ricerca è stata condotta in collaborazione tra l'Istituto FEMTO-ST in Francia (CNRS e l'Università della Borgogna-Franca Contea) e il Laboratorio di Fotonica del TUT. Il particolare progresso scientifico che ha portato ai nuovi risultati è la misurazione in tempo reale dell'intensità temporale del laser con risoluzione inferiore al picosecondo, così come il suo spettro ottico con risoluzione sub-nanometrica. Registrando contemporaneamente entrambe queste proprietà temporali e spettrali, un algoritmo di calcolo avanzato può recuperare le caratteristiche complete del campo elettromagnetico sottostante.

Oltre a fornire nuove informazioni sul funzionamento dei laser pulsati, i risultati della ricerca hanno importanti applicazioni interdisciplinari.

"I risultati forniscono un esempio di laboratorio molto conveniente di ciò che è noto come "sistema di solitoni dissipativi", che è un concetto centrale nella scienza non lineare e rilevante anche per gli studi in altri campi, come la biologia, medicina e forse anche scienze sociali, " dice il professor John. M. Dudley, che ha guidato la ricerca presso l'Università della Borgogna-Franca Contea.

Nel ricostruire l'evoluzione del campo elettromagnetico, il team ha osservato un'ampia gamma di scenari di interazione tra strutture di solitoni dissipativi che emergono dal rumore.

"L'approccio che abbiamo implementato può funzionare a bassi livelli di potenza in ingresso e ad alte velocità. I ​​risultati forniscono una finestra completamente nuova su interazioni inedite tra solitoni dissipativi emergenti sotto forma di collisioni, fusione o collasso", dice Genty.

I ricercatori ritengono che i loro risultati consentiranno di migliorare la progettazione e le prestazioni dei laser pulsati ultraveloci.

"Questa è un'area di ricerca davvero affascinante in cui gli studi motivati ​​da domande nella scienza fondamentale hanno il potenziale per avere un reale impatto pratico nella futura tecnologia fotonica, " conclude Dudley.