Учёные из Штутгартского университета совместно с компанией Stuttgart Instruments GmbH создали ультракомпактный короткоимпульсный лазер, который способен преобразовывать свыше 80% подводимой энергии в полезное излучение. Этот показатель вдвое превышает эффективность современных громоздких систем, занимавших целые лаборатории. Новая разработка может изменить представление о том, как в промышленности, медицине и квантовой физике применяются ультракороткие световые импульсы.
Что такое короткоимпульсный лазер
Короткоимпульсные лазеры генерируют сверхкороткие вспышки света — длительностью всего несколько фемтосекунд (квадриллионных долей секунды). За такой ничтожно малый промежуток времени в импульсе концентрируется колоссальная энергия. Именно поэтому эти установки используются в высокоточных областях: от микрообработки материалов и хирургии до молекулярной визуализации и квантовых экспериментов.
Однако на протяжении десятилетий такие системы оставались громоздкими, дорогими и крайне неэффективными. Их КПД редко превышал 30–35%, а большая часть энергии уходила в тепло.
Прорыв: компактность без потерь
Новая установка, разработанная в Штутгарте, помещается буквально на ладони — всего несколько квадратных сантиметров. При этом она не уступает по мощности и длительности импульса лабораторным «монстрам».
«Мы достигли уровня эффективности, который ранее считался практически недостижимым, — говорит профессор Харальд Гиссен, руководитель проекта. — Для сравнения: современные технологии обычно ограничиваются 35%».
Такой результат стал возможен благодаря оригинальному инженерному решению. Вместо громоздких многоступенчатых систем с несколькими кристаллами исследователи использовали один короткий кристалл, но пропустили через него свет несколько раз, каждый раз корректируя фазу и синхронизацию пучков. Этот подход получил название многопроходное оптическое параметрическое усиление (Multipass OPA). Он позволил сохранить широкую спектральную полосу и при этом почти вдвое повысить КПД.
Миниатюрная платформа для большого будущего
Созданный лазер использует всего пять оптических компонентов и формирует импульсы короче 50 фемтосекунд. При своей миниатюрности он остаётся настраиваемым и может работать на разных длинах волн.
«Наше многопроходное решение доказывает: высокая эффективность и широкий спектр больше не противоречат друг другу», — отмечает ведущий автор работы доктор Тобиас Штайнле.
Благодаря компактности и энергоэффективности такие лазеры можно будет применять не только в лабораториях, но и в портативных приборах — от медицинских инструментов и газовых сенсоров до систем экологического мониторинга и молекулярной диагностики.
Учёные уже представляют себе устройства размером с смартфон, способные выполнять задачи, для которых сегодня нужны установки величиной с холодильник.
Публикация в журнале Nature открывает новую главу в развитии оптоэлектроники. Удвоенная эффективность, сокращённые размеры и простота конструкции делают этот «карманный» лазер одним из самых перспективных инструментов для будущего науки и технологий.
