Лазеры с короткими импульсами генерируют импульсы света длительностью несколько фемтосекунд, что позволяет упаковать огромную энергию в чрезвычайно сжатые временные интервалы. Они используются в микрообработке, сложных медицинских процедурах, молекулярной визуализации и производства полупроводников. Однако разработка одновременно компактных и эффективных систем всегда была сложной инженерной задачей. Новая система обещает уместить весь этот потенциал в устройстве площадью несколько квадратных сантиметров, не жертвуя при этом мощностью, длительностью импульса или пропускной способностью.

Группа ученых Штутгартского университета вместе с коллегами из компании Stuttgart Instruments продемонстрировала, что принципиально достижим 80-процентный КПД преобразования, то есть практически всю входящую мощность можно преобразовать в полезную лазерную энергию, а не растерять в виде тепла. Для сравнения: современные аналоги достигают лишь около 35%.

Для того чтобы генерировать короткие импульсы, необходимо усилить входящий световой луч и охватить широкий диапазон длин волн, пояснил Тобиас Штайнле, один из исследователей. До сих пор сразу оба свойства в компактной оптической системе объединить не удавалось.

Обычно широкополосные усилители используют тонкие и короткие кристаллы, в то время как для высокопроизводительных систем нужны длинные. Некоторые исследовательские группы пытались последовательно соединить несколько коротких кристаллов, чтобы каждый кристалл брал на себя часть усиления. Идея работала на бумаге, но на практике юстировка требовала чрезвычайно точной настройки, а вся установка становилась нестабильной и трудно масштабируемой.

Команда из Штутгарта решила проблему совершенно иначе, пишет IE. Они использовали один короткий кристалл, но пропускали через него световые импульсы несколько раз, перестраивая и синхронизируя разделенные лучи между каждым проходом. Такое «многопроходное оптическое параметрическое усиление» сохраняет полосу пропускания при одновременном повышении эффективности.

Готовое устройство генерирует импульсы длительностью менее 50 фемтосекунд, использует всего пять компонентов и занимает площадь всего несколько квадратных сантиметров.

Рентгеновские лазеры на свободных электронах (РЛСЭ) применяются для фундаментальных и прикладных исследований на атомном уровне. Ученые из США разработали компактный РЛСЭ, использовав лазерно-плазменные ускорители для генерации и поддержания высококачественных электронных пучков.