IT之家消息，德國斯圖加特大學一支科研團隊合作開發(fā)出了一種新型短脈沖激光系統(tǒng)，兼具高效率、小型化與廣泛適用性。相關(guān)成果已于 11 月 5 日發(fā)表于《自然》（Nature）。

據(jù)介紹，這款創(chuàng)新激光器的體積僅相當于手掌大小，卻實現(xiàn)了現(xiàn)有設(shè)計兩倍以上的能效提升。研究團隊介紹稱，該系統(tǒng)在實驗中可達到 80% 的能量轉(zhuǎn)換效率，遠高于目前約 35% 的水平。

“通過我們的新系統(tǒng)，可以實現(xiàn)以往幾乎無法達到的效率水平，”斯圖加特大學第四物理研究所所長哈拉爾德?吉森（Harald Giessen）教授表示，“這意味著輸入的能量有 80% 能夠被有效利用，而不是大部分在過程中損失掉。”

短脈沖激光以其極高的時間分辨率和能量密度，已成為制造、醫(yī)療及科學研究的重要工具。這類激光器能在納秒、皮秒或飛秒（即十億分之一至千萬億分之一秒）級別內(nèi)釋放能量，使得極短時間內(nèi)集中能量于微小區(qū)域成為可能。

該技術(shù)系統(tǒng)由兩部分激光組成：泵浦激光與短脈沖激光。泵浦激光將能量注入系統(tǒng)核心的特殊晶體中，該晶體將能量轉(zhuǎn)移至超短脈沖信號，最終將輸入光轉(zhuǎn)換為紅外光。紅外波段光能支持更高精度的測量與制造 —— 從醫(yī)療成像到量子級分子研究，均可受益于這種能力。

論文第一作者托比亞斯?施泰因勒（Tobias Steinle）博士指出，開發(fā)高效的短脈沖激光長期以來是一項難題：“要生成短脈沖光束，既需要放大輸入光，又要覆蓋寬廣的波長范圍。但在緊湊光學系統(tǒng)中同時實現(xiàn)這兩點一直不可行?！?/p>

傳統(tǒng)設(shè)計中，寬帶放大器需使用極短、極薄的晶體，而高效率放大器則需要較長的晶體。研究人員通常通過串聯(lián)多塊短晶體來兼顧兩者，但這要求泵浦激光與信號脈沖在時間上嚴格同步。

為解決這一矛盾，研究團隊提出了一種“多重往返（multipass）”新概念。他們使用一塊短晶體，讓光脈沖在其中多次通過；每次通過之間，系統(tǒng)都會精確地重新校準光束位置，以保持兩種脈沖同步。這種設(shè)計僅由五個組件構(gòu)成，占用面積僅幾平方厘米，便能生成小于 50 飛秒的激光脈沖。

“我們的多重往返系統(tǒng)表明，高效率與寬帶寬并不沖突，”施泰因勒說，“這一設(shè)計可以替代原本龐大、昂貴、能量損耗巨大的超短脈沖放大設(shè)備?！?/p>

該系統(tǒng)還具有高度靈活性，可適配除紅外光以外的多種波長范圍，以及不同類型的晶體和脈沖持續(xù)時間。研究人員計劃在此基礎(chǔ)上開發(fā)更小型、輕便、可調(diào)諧的激光裝置，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學成像、光譜分析、氣體傳感及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

IT之家附論文地址：https://www.nature.com/ articles / s41586-025-09665-w