德国开发新型激光器，为医学和量子科学开辟新的应用前景

在激光技术的发展史上，“更短、更强、更可控”始终是推进前沿的关键方向。德国斯图加特大学与斯图加特仪器公司合作，基于多程光参量放大新概念，研发出一款紧凑型短脉冲激光系统，在实验中实现高达80%的能量转换效率，是现有主流水平的两倍多，标志着超快激光在“小型化”和“高效率”之间长期难以兼顾的矛盾首次被系统性突破，有望为医学诊疗和量子科学开辟一批全新的应用场景。

一、从庞大系统到掌心设备

短脉冲激光器可以产生纳秒到飞秒量级的超短光脉冲，在极短时间内将大量能量集中到极小空间，因此广泛用于精密制造、组织切削、显微成像以及分子动力学研究。问题在于，高效率的短脉冲激光系统往往体积庞大、结构复杂，需要昂贵的光学台和稳定环境，难以走出实验室。

要想产生超短脉冲，既要对信号光进行强有力的放大，又要保持尽可能宽的光谱带宽，这样压缩后的脉冲才足够短。但传统光参量放大方案面临一个基本难题：宽带放大需要很薄、很短的非线性晶体，而高效率放大又偏爱更长的晶体。简单地串联多块短晶体会导致系统复杂、对准困难，泵浦光与信号光的同步也难以保证。

斯图加特团队的关键创新，是在光参量放大器中采用“多程”概念：只使用一块短晶体，让泵浦光和信号光在精心设计的光路中多次穿过同一晶体。每次通过后，分离开的脉冲由色散工程化的介质反射镜重新整形和校准，使两束光在时间上重新同步，从而在保持宽带的同时逐步提高增益。

最终实现的原型系统仅占用数平方厘米空间，仅由五个关键光学部件构成，却能够产生宽带、脉宽短于50飞秒的红外脉冲。测试表明，在优化条件下，该系统的能量转换效率最高可达80%，而当前市售或常用科研系统通常只有约35%左右的效率，这意味着大部分输入功率在传统系统中被浪费为热损耗。对于需要长时间稳定运行的应用场景，这种效率提升不仅意味着更低的能耗，也意味着更小的体积和更简单的外围支撑。

二、用于医学诊疗的潜力

短脉冲激光在医学领域已经有广泛应用，例如角膜屈光手术、皮肤精细治疗、光声成像、光学相干断层扫描等。传统系统动辄占据一整间机房，对供电、冷却和振动隔离有较高要求，只能作为大型设备配置在中心医院。斯图加特团队展示的这一高效紧凑方案，为“缩小版”的医疗激光系统提供了技术基础。

一方面，更高的能量利用效率意味着在同一输出水平下所需的电功率更低，整机散热压力减轻，电源与冷却系统可以做得更小、更简单，这为开发便携式或推车式医疗设备创造了条件。医生在门诊、手术室甚至床旁，就有可能使用基于超短脉冲激光的成像与治疗工具，而不必依赖昂贵的大型综合平台。

另一方面，多程光参量放大结构具有良好的波长可调性。通过更换晶体材料、调整入射角度和脉冲参数，系统可以覆盖不同波段，特别是中红外区域。中红外光与许多生物分子和代谢气体的振动谱高度匹配，可用于高灵敏度指纹识别式检测，例如呼气中微量气体的光谱分析、特定组织的成分成像等，未来有望进一步推动无创诊断和术中实时监测的发展。

三、量子科学与精密测量的新工具箱

除了医学诊疗，这一新型微型激光器在量子科学和基础物理研究中同样具有吸引力。量子光学、冷原子物理和超快光谱学等方向，都需要同时具备高时间分辨率、稳定相干性和可调谐波长的光源，用于驱动量子态演化或探测极其微弱的信号。

多程光参量放大方案通过色散工程化的介质镜片，对每一次往返后的群时延进行补偿，并抑制闲频光带来的反向转换效应，使得系统在保持超短脉冲的同时仍然具有较高增益和稳定性。对于需要长时间扫描参数、积累信噪比的精密实验而言，这种“高效率＋宽带＋紧凑”的组合降低了搭建复杂光学平台的门槛，也为构建多台同步工作的小型系统提供了可能。

在量子技术的发展路线中，越来越多的实验不再局限于单一实验室，而是希望将量子光源、量子传感器部署到更接近应用一线的环境。例如，利用超快激光驱动固态量子比特或缺陷中心，用于高灵敏磁场、温度或应力测量；又如在实际环境中开展中红外量子光谱，用以追踪污染物或温室气体变化。新一代高效短脉冲激光器如果能够实现产业化，将有望成为这类量子传感和量子通信系统的“标准模块”之一。

从更宽广的科学图景看，紧凑型高效短脉冲光源也将推动跨学科研究。例如，在化学和材料科学中，通过泵浦-探测超快光谱手段，可以直接在飞秒尺度上观察键合断裂、电子转移等过程；在凝聚态物理中，可以利用此类光源激发和探测拓扑态、强关联系统中的瞬态现象。过去这些实验大多依赖大型激光平台，新装置则有望把类似能力带到更多研究团队手中，为下一代量子光源、传感设备提供了坚实的技术支点。

参考文献：

[1]Nägele JH, Steinle T, Thannheimer J, Flad P, Giessen H. Dispersion-engineered multipass optical parametric amplification. Nature. 2025 Nov;647(8088):74-79.

[2]Universität Stuttgart. Hocheffizient und kompakt[EB/OL].(2025-11-05).https://www.uni-stuttgart.de/universitaet/aktuelles/meldungen/Hocheffizient-und-kompakt/.

[3]Jutta Witte. Compact laser system shows 80% efficiency for ultrashort light pulses is possible[EB/OL].(2025-11-06).https://phys.org/news/2025-11-compact-laser-efficiency-ultrashort-pulses.html.

[4]Universitaet Stuttgart. Tiny laser could transform medicine and quantum science[EB/OL].(2025-11-09).https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251108083854.htm.