Думали, что «мощность = размер»? Немцы «сломали» физику и упаковали лазер размером с комнату в коробок

Исследователи из Штутгартского университета совместно с компанией Stuttgart Instruments GmbH представили миниатюрный лазер, который помещается на ладони, но по эффективности превосходит установки размером с комнату. Новый источник сверхкоротких световых импульсов показал рекордный коэффициент полезного действия — более 80%, что более чем вдвое выше уровня традиционных систем. Это достижение может изменить подход к использованию ультрабыстрого света в промышленности, медицине и квантовых исследованиях.

Долгое время короткоимпульсные лазеры оставались громоздкими, сложными и энергоёмкими устройствами. Для их стабильной работы требовались массивные охлаждающие контуры и дорогостоящие оптические узлы, а эффективность редко превышала 30–35%. Несмотря на высокую мощность, значительная часть энергии уходила в тепло. Штутгартским инженерам удалось сохранить прежние характеристики — длительность импульсов, диапазон частот и выходную мощность — в приборе, занимающем всего несколько квадратных сантиметров.

Проектом руководил профессор Харальд Гиссен, один из ведущих специалистов в области фотоники. Команда доказала, что достижение 80-процентного преобразования входной энергии в полезное излучение не только реально, но и технологически устойчиво. Для сравнения: большинство существующих аналогов теряют почти 2/3 подведённой мощности в виде тепловых потерь.

Короткоимпульсные лазеры испускают вспышки длительностью фемтосекунды — квадриллионные доли секунды. За счёт этого они могут концентрировать огромную энергию в невероятно короткие промежутки времени. Такие установки применяются в микрообработке материалов, высокоточной хирургии, молекулярной визуализации и производстве микросхем, где важна предельная точность и минимальное тепловое воздействие. Но объединить компактность и высокий КПД в одном корпусе долгое время не удавалось.

Главный автор исследования, доктор Тобиас Штайнле, объясняет, что генерация сверхкоротких импульсов требует одновременно усиливать входной пучок и охватывать широкий спектр длин волн. Обычно это противоречивые задачи: широкополосные усилители строятся на коротких кристаллах, тогда как энергоэффективные используют длинные. Попытки соединить несколько коротких элементов в последовательную цепочку теоретически выглядели многообещающе, но на практике приводили к нестабильности и усложняли настройку оптического тракта.

Штутгартская группа нашла другой путь. Вместо серии кристаллов она применила один короткий элемент, через который световой импульс проходит несколько раз, каждый раз перенастраиваясь и синхронизируясь. Такой метод, известный как многопроходное оптическое параметрическое усиление, позволил сохранить широкий спектр и резко повысить энергетическую отдачу.

Получившийся лазер генерирует импульсы короче 50 фемтосекунд, состоит всего из 5 компонентов и занимает площадь меньше ладони. Он не требует сложного охлаждения и точной юстировки, поэтому может использоваться в переносных устройствах.

Авторы считают, что сочетание компактности, регулируемого диапазона длин волн и высокой эффективности сделает технологию востребованной далеко за пределами научных лабораторий. Подобные источники излучения смогут работать в медицинских приборах, сенсорах для анализа газов, системах экологического контроля и мобильных установках для диагностики. Лёгкие и экономичные устройства способны выполнять задачи, для которых сейчас нужны оптические комплексы размером с холодильник, — от микрохирургии до квантового анализа вещества.