Лазеры, излучающие сверхкороткие световые импульсы, обладают высокой точностью и используются в производстве, медицине и исследованиях. Проблема в том, что эффективные лазеры с короткими импульсами требуют много места и стоят дорого.
Исследователи из Штутгартского университета совместно с компанией Stuttgart Instruments GmbH разработали новую систему. Она более чем вдвое эффективнее предыдущих, легко помещается на ладони и отличается высокой универсальностью. Исследование опубликовано в журнале Nature .
«Благодаря нашей новой системе мы можем достичь практически недостижимого ранее уровня эффективности», — говорит профессор Харальд Гиссен, руководитель 4-го физического института Штутгартского университета. В ходе своих экспериментов исследователи продемонстрировали, что достижение 80% эффективности с помощью короткоимпульсного лазера принципиально возможно.
Это означает, что 80% потребляемой мощности может быть фактически использовано. «Для сравнения: современные технологии достигают лишь около 35%, а это означает значительную потерю эффективности и, соответственно, высокую стоимость», — объясняет Гиссен.
Короткоимпульсные лазеры генерируют световые импульсы длительностью всего несколько нано-, пико- или фемтосекунд (то есть от нескольких миллиардных до квадриллионных долей секунды). Это позволяет им концентрировать большое количество энергии на небольшой площади за чрезвычайно короткое время. Лазер накачки и лазер, излучающий короткие импульсы, работают совместно. Лазер накачки снабжает световой энергией специальный кристалл. Этот кристалл является ядром процесса и передаёт энергию от лазера накачки сверхкороткому импульсу сигнала. Это преобразует входящие световые частицы в инфракрасное излучение.
Это позволяет проводить эксперименты, измерения и производственные процессы , которые невозможно реализовать с помощью видимого света. Короткоимпульсные лазеры используются в производстве, например, для точной и щадящей обработки материалов. Они также применяются в медицинской технике для визуализации процессов или в квантовых исследованиях для особо точных измерений на молекулярном уровне.Многопроходный параметрический усилитель.
«Разработка эффективных лазеров с короткими импульсами остаётся нерешённой задачей», — поясняет доктор Тобиас Штайнле, ведущий автор исследования. «Чтобы генерировать короткие импульсы, нам необходимо усилить входящий световой луч и охватить широкий диапазон длин волн. До сих пор не удавалось объединить оба свойства одновременно в небольшой и компактной оптической системе».
Для лазерных усилителей с широкой полосой пропускания требуются специальные кристаллы, особенно короткие и тонкие. Эффективные же усилители требуют особенно длинных кристаллов. Последовательное соединение нескольких коротких кристаллов — один из возможных способов объединения этих двух подходов. Исследования в этой области уже ведутся. Ключевым моментом является обеспечение синхронизации импульсов лазера накачки и сигнального лазера.
Исследователи решили эту проблему с помощью новой многопроходной процедуры. Вместо использования одного длинного кристалла или множества коротких кристаллов они используют один короткий кристалл и многократно пропускают световые импульсы через него в своём оптическом параметрическом усилителе. Между двумя проходами через кристалл разделённые импульсы точно синхронизируются, оставаясь синхронизированными.
Система может генерировать импульсы длительностью менее 50 фемтосекунд, занимает всего несколько квадратных сантиметров и состоит всего из пяти компонентов.
«Наша многопроходная система демонстрирует, что чрезвычайно высокая эффективность не обязательно достигается за счёт уменьшения пропускной способности», — объясняет Штайнле. «Она может заменить громоздкие и дорогие лазерные системы с высокими потерями мощности, которые ранее требовались для усиления сверхкоротких импульсов».
Новая система отличается высокой универсальностью и может быть адаптирована к другим диапазонам длин волн, помимо инфракрасного , а также к различным кристаллическим системам и длительности импульсов. С помощью этой концепции исследователи стремятся создать небольшие, лёгкие, компактные, портативные и перестраиваемые лазеры, способные точно настраивать длину волны. Они видят потенциальные области применения в медицине, аналитике, газовых сенсорах и исследованиях окружающей среды.
Источник: phys.org
