Laser yang menghasilkan pulsa cahaya ultrapendek memberikan presisi luar biasa untuk bidang manufaktur, kedokteran, dan penelitian ilmiah. Masalahnya adalah sistem pulsa pendek dengan efisiensi tinggi biasanya memakan banyak ruang dan memerlukan biaya tinggi. Sebuah tim di Universitas Stuttgart, bekerja sama dengan Stuttgart Instruments GmbH, telah memperkenalkan alternatif yang ringkas. Perangkat mereka dua kali lebih efisien dibandingkan banyak pengaturan yang ada, cukup kecil untuk dipegang, dan dirancang untuk penggunaan luas. Pendekatan ini dilaporkan dalam Alam.
“Dengan sistem baru kami, kami dapat mencapai tingkat efisiensi yang sebelumnya hampir tidak dapat dicapai,” kata Prof. Harald Giessen, Kepala Institut Fisika ke-4 di Universitas Stuttgart. Dalam pengujian, tim menunjukkan bahwa laser pulsa pendek pada dasarnya dapat mencapai efisiensi 80%. Secara praktis, 80% daya masukan menjadi keluaran yang dapat digunakan. “Sebagai perbandingan: teknologi saat ini hanya mencapai sekitar 35% — yang berarti teknologi tersebut kehilangan banyak efisiensi dan juga mahal,” jelas Giessen.
Banyak energi dalam waktu yang sangat singkat
Laser pulsa pendek memancarkan semburan yang hanya berlangsung selama nano-, pico-, atau femtodetik (yaitu, beberapa miliar hingga kuadriliun detik). Karena denyutnya sangat singkat, sejumlah besar energi dapat disalurkan ke titik kecil hampir secara instan. Penyiapannya menggabungkan laser pompa dengan laser pulsa pendek. Laser pompa menyalurkan energi cahaya ke kristal khusus. Kristal ini menggerakkan proses dengan mentransfer energi dari pancaran pompa ke pulsa sinyal ultrashort. Dengan melakukan hal ini, partikel cahaya yang masuk diubah menjadi cahaya inframerah. Inframerah memungkinkan eksperimen, pengukuran, atau langkah produksi yang tidak dapat dicapai oleh cahaya tampak. Dalam industri, laser pulsa pendek digunakan dalam produksi — misalnya, untuk pemrosesan material yang presisi dan lembut. Mereka juga digunakan dalam pencitraan medis dan penelitian kuantum untuk pengukuran yang sangat tepat pada skala molekuler.
“Merancang laser pulsa pendek secara efisien masih merupakan tantangan yang belum terpecahkan,” jelas Dr. Tobias Steinle, penulis utama studi tersebut. “Untuk menghasilkan pulsa pendek, kita perlu memperkuat berkas cahaya yang masuk dan mencakup berbagai panjang gelombang.” Hingga saat ini, belum memungkinkan untuk menggabungkan kedua properti secara bersamaan dalam sistem optik yang kecil dan kompak.” Amplifier laser bandwidth lebar biasanya membutuhkan kristal yang sangat pendek dan tipis. Sebaliknya, amplifier dengan efisiensi tinggi lebih menyukai kristal yang lebih panjang. Salah satu solusinya adalah dengan menghubungkan beberapa kristal pendek secara seri, sebuah pendekatan yang telah dieksplorasi dalam penelitian. Apa pun pilihannya, waktu antara pompa dan pulsa sinyal harus tetap tersinkronisasi.
Konsep multipass baru
Tim mengatasi trade-off ini dengan strategi multipass. Daripada mengandalkan satu kristal panjang atau menumpuk banyak kristal pendek, mereka mengarahkan cahaya berulang kali melalui satu kristal pendek di dalam penguat parametrik optik. Setelah setiap lintasan, pulsa-pulsa yang terpisah secara hati-hati diselaraskan kembali untuk menjaga sinkronisasi. Hasilnya adalah sistem yang menghasilkan pulsa lebih pendek dari 50 femtodetik, hanya memakan waktu beberapa sentimeter persegi, dan hanya menggunakan lima komponen.
“Sistem multipass kami menunjukkan bahwa efisiensi yang sangat tinggi tidak harus mengorbankan bandwidth,” jelas Steinle. “Ini dapat menggantikan sistem laser yang besar dan mahal dengan kehilangan daya yang tinggi, yang sebelumnya diperlukan untuk memperkuat pulsa ultrashort.” Desainnya juga dapat disesuaikan dengan panjang gelombang di luar inframerah dan disesuaikan dengan kristal dan durasi pulsa yang berbeda. Berdasarkan konsep ini, para peneliti bertujuan untuk menciptakan laser kecil, ringan, kompak, portabel, dan dapat disetel yang dapat mengatur panjang gelombang dengan presisi. Kasus penggunaan yang mungkin terjadi mencakup bidang kedokteran, teknik analisis, penginderaan gas, dan pemantauan lingkungan.
Dukungan finansial datang dari Kementerian Federal Riset, Teknologi, dan Antariksa (BMFTR) melalui program KMU-Innovativ, Kementerian Federal untuk Urusan Ekonomi dan Energi (BMWE), Kementerian Sains, Penelitian dan Seni Baden-Wuerttemberg, German Research Foundation (DFG), Carl Zeiss Foundation, Baden-Wuerttemberg Foundation, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST), dan Innovation Campus Mobility of the Future (ICM). Pekerjaan ini dilakukan oleh Institut Fisika ke-4 Universitas Stuttgart bekerja sama dengan Stuttgart Instruments GmbH di bawah proyek MIRESWEEP (sumber laser inframerah-tengah yang baru dan hemat biaya untuk aplikasi analitik).
Laser kecil dapat mengubah kedokteran dan ilmu kuantum