Neues Multipass-Verfahren macht Kurzpulslaser effizienter
Innovatives und vielfältig anwendbares System für eine neue Generation von Femtosekundenlasern mit einer Konversionsrate von bis zu 81 Prozent.
Laser, die extrem kurze Lichtpulse aussenden, arbeiten besonders präzise und werden in der Produktion, Medizintechnik und Forschung gebraucht. Das Problem: Effiziente Kurzpulslaser erfordern viel Platz und sind kostspielig. Forschende der Universität Stuttgart haben in Kooperation mit der Stuttgart Instruments GmbH ein neues System entwickelt. Es ist mehr als doppelt so effizient wie bisherige, passt in eine Handfläche und ist vielfältig anwendbar.
„Mit unserem neuen System können wir in Effizienzbereiche vorstoßen, die bislang kaum erreichbar waren“, sagt Harald Giessen, Leiter des 4. Physikalischen Instituts der Uni Stuttgart. Die Forschenden konnten mit ihren Experimenten zeigen, dass es grundsätzlich möglich ist, mit einem Kurzpulslaser 81 Prozent Konversionseffizienz zu erreichen. Das bedeutet, dass vier Fünftel der eingesetzten Leistung tatsächlich genutzt werden können. „Zum Vergleich: Bisherige Technologien erreichen nur rund 35 Prozent, haben also einen hohen Wirkungsgradverlust und sind dementsprechend teuer“, erläutert Giessen.
Lichtpulse, die nur Nano-, Piko- oder Femtosekunden andauern, bringen in extrem kurzer Zeit sehr viel Energie auf eine kleine Fläche. Dabei spielen ein Pumplaser und der Laser zusammen, der die Kurzpulse aussendet. Der Pumplaser versorgt einen speziellen Kristall mit Lichtenergie. Dieser Kristall ist der Motor des Prozesses und überträgt die Energie aus dem Pumplaser auf den ultrakurzen Signalpuls. So werden die eingehenden Lichtteilchen in Infrarotlicht umgewandelt. Dieses ermöglicht Experimente, Messungen oder Fertigungsprozesse, die mit sichtbarem Licht nicht realisierbar sind. Kurzpulslaser kommen zum Beispiel in der Produktion für eine präzise und schonende Materialbearbeitung zum Einsatz. Sie werden auch in der Medizintechnik für bildgebende Verfahren oder etwa in der Quantenforschung für besonders genaue Messungen auf Molekülebene gebraucht.
Mehr zu Ultrakurzpulslasern
Booster für die Materialbearbeitung
„Kurzpulslaser effizient zu gestalten, ist eine bislang kaum gelöste Herausforderung“, erläutert Tobias Steinle, CTO und Co-Gründer von Stuttgart Instruments und Postdoc am PI4. „Für die Erzeugung von kurzen Pulsen müssen wir zum einen den eingehenden Lichtstrahl verstärken. Zum anderen brauchen wir eine große Bandbreite, müssen also viele verschiedene Wellenlängen erfassen. Bisher ist es nicht gelungen, beide Eigenschaften gleichzeitig in einem kleinen und kompakten optischen System zu vereinen.“ Laser mit großer Bandbreite benötigen spezielle Kristalle, die besonders kurz und dünn sind. Laserverstärker hingegen brauchen besonders lange Kristalle. Mehrere kurze Kristalle hintereinander zu schalten in eine mögliche Lösung, um beides miteinander zu verbinden. Sie wird in der Forschung bereits verfolgt. Die Kunst ist es, dabei zu verhindern, dass die Pulse aus dem Pumplaser und dem Signallaser auseinanderlaufen.
Dieses Problem haben die Stuttgarter nun mit einem neuen Multipass-Verfahren gelöst. Anstatt einen einzigen langen Kristall oder viele kurze Kristalle einzusetzen, nutzen sie einen einzelnen kurzen Kristall und lassen die Lichtpulse in ihrem optisch-parametrischen Verstärker immer wieder durch diesen Kristall laufen. Zwischen zwei Kristalldurchläufen werden die auseinandergelaufenen Pulse wieder präzise übereinander geschoben, bleiben also synchron. Das System kann Pulse unter 50 fs Pulsdauer erzeugen, auf wenigen Quadratzentimetern realisiert werden und besteht aus nur fünf Komponenten.
„Unser Multipass-System zeigt, dass extrem hohe Effizienzen nicht die Bandbreite limitieren müssen“, erklärt Steinle. „Es kann große und teure Lasersysteme mit hohen Leistungsverlusten ersetzen, die man bislang für die Verstärkung von ultrakurzen Pulsen braucht.“ Das neue System ist vielfältig anwendbar und lässt sich unter anderem auf andere Wellenlängenbereiche jenseits des Infrarots, andere Kristallsysteme und Pulsdauern übertragen. Die Forschenden hoffen, mit diesem Konzept sehr kleine, leichte, kompakte, tragbare und durchstimmbare Laser bauen zu können, die Wellenlängen gezielt einstellen können. Mögliche Anwendungsbereiche sehen sie in der Medizin, Analytik, Gas-Sensorik und der Umweltforschung. [U Stuttgart / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
J. H. Nägele, T. Steinle, J. Thannheimer, et al., Dispersion-engineered multipass optical parametric amplification, Nature 647, 74–79, 5. November 2025; DOI: 10.1038/s41586-025-09665-w - 4th Physics Institute (Harald Giessen), Fakultät Mathematik und Physik, Universität Stuttgart
