Исследователи из 4-го физического института Университета Штутгарта в сотрудничестве с компанией Stuttgart Instruments GmbH представили инновационный компактный короткоимпульсный лазер. Устройство помещается на ладони, состоит всего из пяти оптических элементов и, по данным авторов, достигает эффективности до 80%, что более чем вдвое превосходит показатели большинства аналогичных систем.
Короткоимпульсные лазеры генерируют сверхкороткие световые импульсы длительностью от наносекунд до фемтосекунд (10–15 с). За это время энергия концентрируется в крошечном объёме, что позволяет выполнять высокоточные операции. Такие источники незаменимы в микрообработке материалов, медицинской визуализации и квантовых экспериментах на молекулярном уровне.
В представленной схеме короткоимпульсный генератор работает в паре с накачивающим лазером, который направляет энергию в нелинейный кристалл. В кристалле происходит оптическое параметрическое усиление: энергия накачки переносится на ультракороткий сигнальный импульс, а входные фотоны преобразуются в инфракрасное излучение. Инфракрасный диапазон критичен для экспериментов, где видимый свет оказывается недостаточно информативным, например при спектроскопическом анализе веществ.
Главная сложность разработки заключалась в необходимости сочетать широкую полосу спектра для создания экстремально коротких импульсов и достаточную длину усилительного пути в кристалле для высокой эффективности. Традиционные решения предполагают либо длинные кристаллы, ухудшающие спектральные характеристики, либо сложные каскады коротких элементов, требующие точной синхронизации. По словам ведущего автора исследования, д-ра Тобиаса Штайнле, до сих пор не было технической возможности объединить компактность, широкополосность и высокий КПД в одном устройстве.
Штутгартская группа разработала мультипроходную архитектуру оптического параметрического усилителя. Вместо использования длинного кристалла или нескольких коротких элементов они многократно пропускают свет через один небольшой кристалл. После каждого прохода импульсы, разделённые по времени, точно совмещаются, что сохраняет синхронизацию накачки и сигнального луча. Такой метод одновременно обеспечивает широкий спектр частот и высокий уровень усиления с минимальным числом компонентов.
В результате была создана система, генерирующая импульсы продолжительностью менее 50 фемтосекунд, занимая при этом всего несколько квадратных сантиметров, и демонстрирующая теоретический предел эффективности до 80% — в два с лишним раза выше стандартных 35%, которые характерны для существующих устройств и приводят к значительным потерям энергии и росту стоимости оборудования.
По мнению авторов, предлагаемая концепция может быть адаптирована под различные нелинейные кристаллы, расширенные диапазоны длин волн за пределами традиционного ИК-спектра и разные длительности импульсов. В дальнейшем команда планирует выпускать лёгкие портативные лазерные модули с точной настройкой длины волны под конкретные задачи — от медицинской диагностики и визуализации до аналитической спектроскопии, газоанализа и экологического мониторинга.
Источник: iXBT
