Un láser compacto podría revolucionar la medicina y la ciencia cuántica

Los láseres que producen pulsos de luz ultracortos ofrecen una precisión excepcional en la manufactura, medicina y estudios científicos. Sin embargo, los sistemas de pulso corto de alta eficiencia suelen ocupar un espacio considerable y tener altos costos. Un equipo de la Universidad de Stuttgart, en colaboración con Stuttgart Instruments GmbH, presentó una alternativa compacta. Su dispositivo es más del doble de eficiente que muchos sistemas existentes, lo suficientemente pequeño como para caber en la palma de la mano y diseñado para un uso amplio. Este enfoque fue reportado en la revista Nature.

"Con nuestro nuevo sistema, logramos niveles de eficiencia que antes eran casi inalcanzables", afirmó el Prof. Harald Giessen, director del 4º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart. En pruebas, el equipo demostró que los láseres de pulso corto pueden alcanzar fundamentalmente un 80% de eficiencia. En términos prácticos, el 80% de la potencia de entrada se convierte en salida utilizable. "Para comparación: las tecnologías actuales solo logran alrededor del 35%, lo que significa que pierden gran parte de su eficiencia y son correspondientemente costosas", explicó Giessen.

Una gran cantidad de energía en un tiempo extremadamente corto

Los láseres de pulso corto emiten ráfagas que duran solo nano-, pico- o femtosegundos (es decir, unos pocos miles de millones a cuatrillones de segundos). Debido a que los pulsos son tan breves, se puede entregar una gran cantidad de energía a un pequeño punto casi instantáneamente. El sistema combina un láser de bombeo con el láser de pulso corto. El láser de bombeo entrega energía luminosa a un cristal especial. Este cristal impulsa el proceso al transferir energía del haz de bombeo al pulso de señal ultracorta. Al hacerlo, las partículas de luz entrantes se convierten en luz infrarroja. El infrarrojo permite experimentos, mediciones o pasos de producción que la luz visible no puede lograr. En la industria, los láseres de pulso corto se utilizan en la producción, por ejemplo, para un procesamiento de materiales preciso y suave. También se emplean en imágenes médicas y en investigación cuántica para mediciones excepcionalmente exactas a escala molecular.

"Diseñar láseres de pulso corto de manera eficiente sigue siendo un desafío no resuelto", explicó el Dr. Tobias Steinle, autor principal del estudio. "Para generar pulsos cortos, necesitamos amplificar el haz de luz entrante y cubrir un amplio rango de longitudes de onda". Hasta ahora, no ha sido posible combinar ambas propiedades simultáneamente en un sistema óptico pequeño y compacto. Los amplificadores láser de ancho de banda amplio típicamente requieren cristales que son muy cortos y delgados. Los amplificadores de alta eficiencia, en cambio, favorecen cristales mucho más largos. Una solución es conectar varios cristales cortos en serie, un enfoque que ya se ha explorado en la investigación. Cualquiera sea la elección, el tiempo entre los pulsos de bombeo y señal debe permanecer sincronizado.

Nuevo concepto multipaso

El equipo aborda este compromiso con una estrategia multipaso. En lugar de depender de un cristal largo o apilar muchos cortos, hacen pasar la luz repetidamente a través de un solo cristal corto dentro de un amplificador paramétrico óptico. Después de cada paso, los pulsos separados se realinean cuidadosamente para mantener la sincronización. El resultado es un sistema que produce pulsos de menos de 50 femtosegundos, ocupa solo unos pocos centímetros cuadrados y utiliza solo cinco componentes. "Nuestro sistema multipaso demuestra que las eficiencias extremadamente altas no tienen por qué venir a expensas del ancho de banda", explica Steinle. "Puede reemplazar grandes y costosos sistemas láser con altas pérdidas de potencia, que anteriormente eran necesarios para amplificar pulsos ultracortos". El diseño también puede ajustarse para longitudes de onda más allá del infrarrojo y adaptarse a diferentes cristales y duraciones de pulso. Basándose en este concepto, los investigadores aspiran a crear láseres pequeños, ligeros, compactos y ajustables que puedan establecer longitudes de onda con precisión. Los posibles casos de uso incluyen medicina, técnicas analíticas, detección de gases y monitoreo ambiental.

El apoyo financiero provino del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) a través del programa KMU-Innovativ, el Ministerio Federal de Asuntos Económicos y Energía (BMWE), el Ministerio de Ciencia, Investigación y Artes de Baden-Wurtemberg, la Fundación Alemana de Investigación (DFG), la Fundación Carl Zeiss, la Fundación de Baden-Wurtemberg, el Centro para la Ciencia y Tecnología Cuántica Integrada (IQST) y el Campus de Innovación Movilidad del Futuro (ICM). El trabajo fue realizado por el 4º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart en colaboración con Stuttgart Instruments GmbH bajo el proyecto MIRESWEEP (una fuente láser ajustable de infrarrojo medio novedosa y rentable para aplicaciones analíticas).

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