微型激光器或将改变医疗和量子科技

斯图加特大学第四物理研究所所长哈拉尔德·吉森教授表示：“借助我们的新系统，我们能够实现此前几乎无法达到的效率水平。”在测试中，该团队展示了短脉冲激光从根本上可达到80%的效率。从实际应用角度而言，输入功率的80%能转化为可用输出功率。吉森解释道：“相比之下，当前技术的效率仅约35%——这意味着它们会损失大量效率，成本也相应较高。”

极短时间内的大量能量
短脉冲激光发射的脉冲持续时间仅为纳秒、皮秒或飞秒级别（即几十亿分之一秒到千万亿分之一秒）。由于脉冲非常短暂，大量能量几乎能瞬间传递到一个微小的点上。该装置将泵浦激光与短脉冲激光相结合。泵浦激光将光能传递给一种特殊晶体，该晶体通过将能量从泵浦光束转移到超短信号脉冲来驱动这一过程。在此过程中，入射光粒子被转化为红外光。红外光能够实现可见光无法完成的实验、测量或生产步骤。在工业领域，短脉冲激光用于生产——例如，进行精确且温和的材料加工。它们还被用于医学成像以及量子研究中，以在分子尺度上进行异常精确的测量。

该研究的主要作者托比亚斯·斯坦勒博士解释说：“设计高效的短脉冲激光仍是一个未解决的挑战。”“为了产生短脉冲，我们需要放大入射光束并覆盖广泛的波长范围。”此前，在小型紧凑的光学系统中无法同时兼具这两种特性。“宽带激光放大器通常需要非常短且薄的晶体。相比之下，高效率放大器则更青睐长得多的晶体。一种解决方法是将多个短晶体串联起来，这是研究中已探索过的方法。无论选择哪种方法，泵浦脉冲和信号脉冲之间的时间必须保持同步。”

新的多通概念
该团队通过多通策略解决了这一权衡问题。他们没有依赖一个长晶体或将许多短晶体堆叠起来，而是让光在光学参量放大器内的单个短晶体中反复通过。每次通过后，分离的脉冲会被仔细重新对准以保持同步。结果是，该系统产生的脉冲短于50飞秒，占地面积仅几平方厘米，且仅使用五个组件。

斯坦勒解释道：“我们的多通系统表明，极高的效率不必以牺牲带宽为代价。”“它可以取代此前用于放大超短脉冲所需的、功率损耗大的大型昂贵激光系统。”该设计还可以针对红外以外的波长进行调节，并适应不同的晶体和脉冲持续时间。基于这一概念，研究人员旨在制造小型、轻便、紧凑、便携且可调谐的激光器，能够精确设定波长。可能的应用场景包括医学、分析技术、气体传感和环境监测。

资金支持来自联邦研究、技术与空间部（BMFTR）通过KMU-Innovativ计划、联邦经济事务与能源部（BMWE）、巴登-符腾堡州科学、研究与艺术部、德国研究基金会（DFG）、卡尔·蔡司基金会、巴登-符腾堡州基金会、综合量子科学与技术中心（IQST）以及未来移动创新园区（ICM）。这项工作由斯图加特大学第四物理研究所与斯图加特仪器有限公司在MIRESWEEP项目（一种用于分析应用的新型、经济高效的可调谐中红外激光源）下合作完成。