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Amplificador paramétrico óptico multipaso con rayo láser: el nuevo sistema demuestra el desarrollo de láseres de pulso corto altamente eficientes y compactos. Crédito: J. Herbig, J. Thannheimer |
En el mundo de la ciencia y la tecnología, pocas herramientas son tan versátiles y revolucionarias como los láseres de pulsos ultracortos. Se usan para fabricar componentes con precisión nanométrica, para realizar diagnósticos médicos y en experimentos cuánticos de vanguardia. Sin embargo, su eficiencia siempre ha tenido un alto precio: grandes equipos, elevados costos y mucho consumo energético.
Un grupo de investigadores de la Universidad de Stuttgart, en colaboración con Stuttgart Instruments GmbH, acaba de cambiar ese panorama. Han desarrollado un láser tan compacto que puede sostenerse en una mano, pero con una potencia y eficiencia que duplican a la mayoría de los sistemas actuales. Su estudio, publicado en Nature, describe una innovación que promete transformar la industria, la ciencia y la medicina.
“Con nuestro nuevo sistema podemos alcanzar niveles de eficiencia que antes parecían imposibles”, afirma el profesor Harald Giessen, director del 4º Instituto de Física de la Universidad de Stuttgart. En las pruebas, su equipo demostró que estos láseres pueden lograr hasta un 80% de eficiencia energética. En otras palabras, ocho de cada diez unidades de energía se convierten en luz útil. Las tecnologías actuales apenas alcanzan el 35%, lo que las hace más costosas y menos sostenibles.
Los láseres de pulsos ultracortos trabajan en escalas de tiempo casi inimaginables: desde nanosegundos hasta femtosegundos, es decir, milésimas de billonésimas de segundo. Esa brevedad extrema les permite concentrar una enorme cantidad de energía en un punto diminuto, ideal para cortar materiales con una precisión quirúrgica o realizar mediciones moleculares imposibles con luz visible.
El sistema combina dos componentes clave: un láser de bombeo, que suministra energía, y un cristal especial que actúa como amplificador óptico. Este cristal transforma la luz entrante en radiación infrarroja, una longitud de onda esencial para análisis espectroscópicos, imágenes médicas o investigación cuántica.
El desafío, según explica el Dr. Tobias Steinle, autor principal del estudio, era lograr que estos láseres fueran eficientes y compactos al mismo tiempo. “Para producir pulsos cortos se necesita amplificar la luz en un rango de longitudes de onda muy amplio, algo que normalmente requiere equipos voluminosos. Hasta ahora no se podía tener ambas cosas: potencia y tamaño reducido”, comenta.
Las soluciones tradicionales usan cristales cortos, ideales para la amplitud espectral, o largos, mejores para la eficiencia. Algunos investigadores habían intentado conectar varios cristales en serie, pero eso complicaba la sincronización entre los pulsos del láser de bombeo y los de señal. Aquí es donde el equipo de Stuttgart introdujo su gran innovación: un concepto multipaso.
En lugar de apilar cristales, el nuevo sistema hace que la luz recorra múltiples veces el mismo cristal dentro de un amplificador paramétrico óptico. Cada vez que la luz atraviesa el cristal, los pulsos se reacomodan cuidadosamente para mantener la sincronización perfecta. El resultado: un dispositivo que genera pulsos de menos de 50 femtosegundos, ocupa solo unos pocos centímetros cuadrados y se compone de apenas cinco elementos ópticos.
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Amplificador paramétrico multipaso. Crédito: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09665-w |
“Nuestro sistema multipaso demuestra que la alta eficiencia no tiene por qué sacrificar el ancho de banda”, afirma Steinle. “Podemos reemplazar sistemas enormes y costosos por una solución ligera, económica y adaptable”. El diseño permite incluso ajustar el rango de longitudes de onda más allá del infrarrojo y modificar la duración de los pulsos según la aplicación.
El impacto potencial es enorme. Estos láseres ultracompactos podrían usarse en medicina (para imágenes de tejidos o cirugías de precisión), análisis químico, detección de gases y monitoreo ambiental. Además, su bajo consumo y portabilidad los hacen ideales para entornos donde antes los grandes sistemas eran inviables.
El proyecto recibió apoyo del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR) a través del programa KMU-Innovativ, además de fondos del Ministerio de Economía y Energía (BMWi), la Fundación Carl Zeiss, la Fundación Baden-Wuerttemberg y la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Todo el trabajo se desarrolló bajo el proyecto MIRESWEEP, dedicado a crear fuentes láser de infrarrojo medio sintonizables y de bajo costo para aplicaciones analíticas.
Con este avance, los científicos demuestran que el futuro de los láseres no será solo más potente, sino también más pequeño, más eficiente y accesible. Una tecnología que cabe en la palma de la mano, pero con el poder de cambiar industrias enteras.
Fuentes, créditos y referencias: