Lasery, které vysílají extrémně krátké pulzy světla, patří mezi nejpřesnější nástroje současné vědy i průmyslu. Používají se při mikroobrábění, chirurgii nebo ve výzkumu molekulární fyziky. Jejich problémem však dlouho byla velikost a složitost: Vysoký výkon vyžadoval rozsáhlá zařízení, často větší než psací stůl.

Tým fyziků z Univerzity v Stuttgartu a společnosti Stuttgart Instruments ale dokázal nemožné. Vyvinul laserový systém, který se vejde do dlaně a přesto dosahuje více než dvojnásobné účinnosti oproti běžným řešením. Jeho konstrukce je kompaktní, levnější a umožňuje snadnou přizpůsobitelnost různým vědeckým i průmyslovým aplikacím.

80 % energie využité beze ztrát

Vedoucí výzkumu profesor Harald Giessen z 4. fyzikálního institutu stuttgartské univerzity uvedl, že se podařilo dosáhnout účinnosti až 80 % - tedy dvojnásobku oproti běžným systémům, které se pohybují kolem 35 %. To znamená, že většina energie dodané do zařízení se přemění na světelný výkon. V praxi by tak nové lasery mohly být nejen výkonnější, ale i úspornější a dostupnější. Pro medicínu i průmysl, kde se každé procento efektivity počítá, jde o zásadní posun.

Zdroj: Shutterstock

Pulzy kratší než mrknutí oka

Krátkopulzní lasery fungují na principu extrémně rychlých záblesků - trvají jen několik femto- až pikosekund, tedy biliontin sekundy. Takto krátký časový interval umožňuje koncentrovat obrovské množství energie do miniaturního prostoru, což je ideální například pro precizní opracování materiálů nebo zobrazení tkání v lékařské diagnostice.

Celý systém se skládá ze dvou hlavních částí: Pumpovacího laseru, který dodává energii, a krátkopulzního laseru, jenž ji přeměňuje v infračervené záření pomocí speciálního krystalu. Právě tato kombinace umožňuje mimořádně přesné měření i zásahy bez poškození okolního materiálu.

Dokonalá synchronizace

Podle hlavního autora studie Dr. Tobiase Steinleho bylo největším problémem spojit dvě zdánlivě protichůdné vlastnosti: Široké spektrum vlnových délek a vysokou účinnost. Krátkopulzní lasery totiž vyžadují širokou šířku pásma, zatímco účinné zesilovače zase dlouhé krystaly.

V minulosti se vědci pokoušeli řadit několik krátkých krystalů za sebe, ale synchronizace světelných pulzů byla extrémně složitá. Každá drobná odchylka v čase nebo směru znamenala ztrátu výkonu.

Nový multipasový trik

Tým ze Stuttgartu nakonec zvolil elegantní řešení: Multipasový systém. Namísto mnoha krystalů používá jen jeden, ale světelný pulz jím prochází několikrát po přesně vypočtených drahách. Po každém průchodu je paprsek znovu zarovnán, aby zůstal dokonale synchronizovaný.

Tento přístup přináší účinnost přes 80 %, pulzy kratší než 50 femtosekund a přitom zařízení zabírá jen několik čtverečních centimetrů. V praxi to znamená, že laboratoř budoucnosti by mohla místo těžkopádných stolů s optikou používat malé přenosné moduly.