Los láseres que producen pulsos de luz ultracortos proporcionan una precisión excepcional para la fabricación, la medicina y la investigación científica. El problema es que los sistemas de pulso corto de alta eficiencia suelen ocupar un espacio considerable y conllevan costes elevados. Un equipo de la Universidad de Stuttgart, en colaboración con Stuttgart Instruments GmbH, ha presentado una alternativa compacta. Su dispositivo es más del doble de eficiente que muchas configuraciones existentes, lo suficientemente pequeño como para caber en una mano y está diseñado para un uso generalizado. se informan en el método la naturaleza.
“Con nuestro nuevo sistema podemos alcanzar niveles de eficiencia que antes eran casi inalcanzables”, afirmó el profesor Harald Giessen, director del IV Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart. En experimentos, el equipo demostró que los láseres de pulso corto pueden alcanzar fundamentalmente un 80% de eficiencia. En la práctica, el 80% de la potencia de entrada se convierte en salida utilizable. “A modo de comparación, las tecnologías actuales alcanzan alrededor del 35%, lo que significa que pierden gran parte de su eficiencia y, en consecuencia, son más caras”, explica Giessen.
Mucha potencia en muy poco tiempo.
Los láseres de pulso corto emiten ráfagas que duran sólo nano, pico o femtosegundos (es decir, entre varias milmillonésimas y cuatro millonésimas de segundo). Debido a que los pulsos son tan cortos, se pueden entregar grandes cantidades de energía a un área pequeña casi instantáneamente. La configuración combina un láser de bomba con un láser de pulso corto. Un láser de bomba suministra energía luminosa a un cristal especial. Este cristal impulsa el proceso transfiriendo energía del haz de bomba en pulsos de señal ultracortos. Al hacerlo, las partículas de luz entrantes se convierten en luz infrarroja. El infrarrojo permite realizar pruebas, mediciones o realizar pasos de fabricación que la luz visible no puede lograr. En la industria, los láseres de pulso corto se utilizan en la fabricación, por ejemplo para el procesamiento preciso y cuidadoso de materiales. Se emplean en imágenes médicas e investigación cuántica para realizar mediciones excepcionalmente precisas a escala molecular.
“El diseño eficiente de láseres de pulso corto sigue siendo un desafío sin resolver”, explica el Dr. Tobias Steinl, autor principal del estudio. “Para crear pulsos cortos, necesitamos ampliar el haz de luz entrante y cubrir una amplia gama de longitudes de onda”. Hasta ahora no era posible combinar ambas características simultáneamente en un sistema óptico pequeño y compacto”. Los amplificadores láser de gran ancho de banda normalmente requieren cristales muy pequeños y finos. Los amplificadores de alta eficiencia, por el contrario, soportan cristales mucho más largos. Una solución es conectar varios cristales ya de forma compacta, en un enfoque de investigación. La sincronización entre los impulsos de bombeo y de señal debe estar sincronizada.
Nuevo concepto multipaso
El equipo aborda este compromiso con una estrategia de múltiples pases. En lugar de depender de un cristal largo o apilar muchos cristales cortos, conducen luz repetidamente a través de un único cristal corto dentro de un amplificador óptico paramétrico. Después de cada pasada, los pulsos aislados se reorganizan cuidadosamente para mantener la sincronización. El resultado es un sistema que produce pulsos de menos de 50 femtosegundos, ocupa sólo unos pocos centímetros cuadrados y utiliza sólo cinco componentes.
“Nuestro sistema multipaso demuestra que no se requiere una eficiencia extremadamente alta a expensas del ancho de banda”, explica Steinle. “Podría sustituir a los grandes y costosos sistemas láser con una gran pérdida de potencia, que hasta ahora eran necesarios para amplificar pulsos ultracortos”. El diseño también puede sintonizarse para longitudes de onda más allá del infrarrojo y adaptarse a diferentes cristales y duraciones de pulso. Basándose en este concepto, los investigadores pretenden desarrollar láseres pequeños, ligeros, compactos, portátiles y sintonizables que puedan establecer longitudes de onda con precisión. Los usos potenciales incluyen medicina, técnicas analíticas, detección de gases y monitoreo ambiental.
El apoyo financiero ha llegado a través del Programa KMU-Innovative del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR), el Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWE), el Ministerio de Ciencia, Investigación y Artes de Baden-Württemberg, la Fundación Alemana de Investigación (DFG), la Fundación Carl Zeiss, la Fundación Científica de Quebec y el Centro de Innovación. Tecnología (IQST) y Movilidad en Campus de Innovación Futura (ICM). El trabajo fue realizado por el IV Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart (una fuente láser de infrarrojo medio novedosa y rentable para aplicaciones analíticas) en colaboración con Stuttgart Instruments GmbH en el marco del proyecto MIRESWEEP.
