科学家研发掌上级短脉冲激光系统：效率提升至80%

IT之家11月9日消息，德国斯图加特大学一支科研团队合作开发出了一种新型短脉冲激光系统，兼具高效率、小型化与广泛适用性。相关成果已于11月5日发表于《自然》（Nature）。

据介绍，这款创新激光器的体积仅相当于手掌大小，却实现了现有设计两倍以上的能效提升。研究团队介绍称，该系统在实验中可达到80% 的能量转换效率，远高于目前约35% 的水平。

“通过我们的新系统，可以实现以往几乎无法达到的效率水平，”斯图加特大学第四物理研究所所长哈拉尔德・吉森（Harald Giessen）教授表示，“这意味着输入的能量有80% 能够被有效利用，而不是大部分在过程中损失掉。”

短脉冲激光以其极高的时间分辨率和能量密度，已成为制造、医疗及科学研究的重要工具。这类激光器能在纳秒、皮秒或飞秒（即十亿分之一至千万亿分之一秒）级别内释放能量，使得极短时间内集中能量于微小区域成为可能。

该技术系统由两部分激光组成：泵浦激光与短脉冲激光。泵浦激光将能量注入系统核心的特殊晶体中，该晶体将能量转移至超短脉冲信号，最终将输入光转换为红外光。红外波段光能支持更高精度的测量与制造 —— 从医疗成像到量子级分子研究，均可受益于这种能力。

科学家研发掌上级短脉冲激光系统

论文第一作者托比亚斯・施泰因勒（Tobias Steinle）博士指出，开发高效的短脉冲激光长期以来是一项难题：“要生成短脉冲光束，既需要放大输入光，又要覆盖宽广的波长范围。但在紧凑光学系统中同时实现这两点一直不可行。”

传统设计中，宽带放大器需使用极短、极薄的晶体，而高效率放大器则需要较长的晶体。研究人员通常通过串联多块短晶体来兼顾两者，但这要求泵浦激光与信号脉冲在时间上严格同步。

为解决这一矛盾，研究团队提出了一种“多重往返（multipass）”新概念。他们使用一块短晶体，让光脉冲在其中多次通过；每次通过之间，系统都会精确地重新校准光束位置，以保持两种脉冲同步。这种设计仅由五个组件构成，占用面积仅几平方厘米，便能生成小于50飞秒的激光脉冲。

“我们的多重往返系统表明，高效率与宽带宽并不冲突，”施泰因勒说，“这一设计可以替代原本庞大、昂贵、能量损耗巨大的超短脉冲放大设备。”

该系统还具有高度灵活性，可适配除红外光以外的多种波长范围，以及不同类型的晶体和脉冲持续时间。研究人员计划在此基础上开发更小型、轻便、可调谐的激光装置，可广泛应用于医学成像、光谱分析、气体传感及环境监测等领域。

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