Nichtlineare Dynamik in hybriden SOA-Faserlaser-Systemen mit Rückkopplung

• Antragsteller: Dr. Andrei Vladimirov
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445430311

Ultrakurzpulslaser spielen eine maßgebliche Rolle für die Weiterentwicklung der Photonik und optischen Technologie. Sie eignen sich in herausragender Weise zur experimentellen Untersuchung nichtlinearer Wellendynamik, der Analyse von Instabilitäten sowie der Untersuchung kohärenter Strukturen wie Solitonen, optische Wirbel, Breather usw. Weiterhin erlauben sie die Analyse der Wechselwirkung dieser kohärenten Strukturen mit Rauschen. In diesem Projekt untersuchen wir hybride SOA-Faserlaser, bei denen breitbandige Halbleiterlaserverstärker (SOA) mit langen Faser-Resonatoren zu kollektiven Phänomenen fern vom Gleichgewicht führen können. Dies umfasst insbesondere die für Anwendungen bedeutende Modenkopplung, welche aus der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen einer Vielzahl von Resonatormoden hervorgeht.Das gemeinsame RSF-DFG-Projekt vereint weltweit führende Experten für Laser, nichtlineare Dynamik und Faseroptik (Staatliche Universität Nowosibirsk), der mathematischen Modellierung von Halbleiter- und Hybridlasern sowie der Theorie von Systemen mit zeitverzögerten Rückkopplungen (Weierstraß-Institut, Berlin). Das Ziel des Projekts ist die theoretische, numerische und experimentelle Untersuchung der Entstehung von Kohärenz aus zunächst irregulärem Rauschen sowie die Emergenz kohärenter Strukturen in SOA-Faserlasern durch nichtlineare Prozesse. Dafür werden neue mathematische Modelle zur Beschreibung von modengekoppelten (ML) Lasern, Mamyshev-Oszillatoren und ML-Lasern mit zeitverzögerter Rückkopplung (basierend auf Poincaré-Abbildungen und retardierten Differenzialgleichungen) entwickelt und numerisch sowie unter Verwendung asymptotischer Techniken analysiert. Die kohärenten Strukturen werden mittels geeigneter Entropie-Methoden quantifiziert. Weiterhin werden Methoden des maschinellen Lernens eingesetzt, um "intelligente SOA-Faserlaser-Designs" mit optimierten Puls-Eigenschaften zu entwickeln.Die angestrebte Kombination zweier wichtiger photonischer Technologien in hybriden SOA-Faserlasern und die Zusammenführung neuer Methoden der Laserphysik, angewandten Mathematik, nichtlinearen Dynamik und Photonik wird eine interdisziplinäre akademische Wirkung entfalten, wodurch das Projekt sowohl für die physikalische, die mathematische als auch die technische wissenschaftliche Gemeinschaft von großem Interesse sein wird. Die theoretische Analyse der Dynamik von Hybridlasern erfolgt in enger Zusammenarbeit mit den experimentellen Forschungsgruppen an der Staatliche Universität Nowosibirsk (Prof. S. Turitsyn), dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena (Dr. M. Chernysheva) und dem Institut de Physique de Nice (Prof. G. Huyet). Ultrakurzpulslaser sind grundlegend für zahlreiche Anwendungen und bieten generische Methoden für verschiedene wissenschaftliche und technologische Probleme, sodass das Projekt eine über die Grundlagenforschung hinausgehende Bedeutung besitzt und zur Entwicklung neuer Konzepte und Innovationen beitragen kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich, Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Guillaume Huyet, Ph.D.; Professor Sergei Turitsyn, Ph.D.
• Mitverantwortlich(e): Maria Chernysheva, Ph.D.