科学家研发掌上短脉激光系统，能量转换效率突破80%

11月9日消息，德国斯图加特大学的研究团队成功开发出一种新型短脉冲激光系统，该技术兼具高效能、小型化和广泛适用性的特点。这项突破性研究成果已于11月5日发表在《自然》（Nature）期刊上。

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。研究团队表示，该系统在实验中能够达到80%的能量转换效率，远高于目前约35%的常规水平。

"通过我们开发的系统，能够达到以往几乎无法实现的效率水平。"斯图加特大学第四物理研究所所长哈拉尔德·吉森（Harald Giessen）教授指出，"这意味着输入能量的80%都能被有效利用，而非在转换过程中大量损耗。"

短脉冲激光以其极高的时间分辨率和能量密度，已成为制造业、医疗及科学研究领域的重要工具。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，使得极短时间内将能量集中于微小区域成为可能。

该技术系统由两部分激光组成：光纤激光器与短脉冲激光器。光纤激光器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。红外波段光能支撑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。

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都是一项技术难题："要生成短脉冲激光束，既要放大输入光，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，但这要求光纤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）"新理念。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，就能生成小于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，"施泰因勒表示，"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。

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