Lasers que geram pulsos de luz ultracurtos fornecem precisão excepcional para fabricação, medicina e pesquisa científica. O problema é que os sistemas de pulso curto de alta eficiência geralmente ocupam muito espaço e são muito caros. Uma equipe da Universidade de Stuttgart, em colaboração com a Stuttgart Instruments GmbH, desenvolveu uma alternativa compacta. Seu dispositivo é duas vezes mais eficiente que muitos dispositivos existentes, é pequeno o suficiente para caber na mão e foi projetado para uso generalizado. Este método é relatado em natureza.
“Com o nosso novo sistema, podemos atingir níveis de eficiência que antes eram quase inatingíveis”, afirma o professor Harald Giessen, diretor do Quarto Instituto de Física da Universidade de Stuttgart. Em testes, a equipe mostrou que os lasers de pulso curto podem atingir essencialmente 80% de eficiência. Com efeito, 80% da potência de entrada torna-se uma saída utilizável. “Em comparação, as tecnologias atuais só conseguem atingir cerca de 35%, o que significa que perdem muita eficiência e são correspondentemente caras”, explica Giessen.
Gerar grandes quantidades de energia em um período muito curto de tempo
Lasers de pulso curto emitem pulsos que duram apenas nanossegundos, picossegundos ou femtossegundos (ou seja, bilionésimos a quatrilionésimos de segundo). Como o pulso é tão breve, uma grande quantidade de energia pode ser entregue a um ponto minúsculo quase que instantaneamente. O dispositivo combina um laser de bomba e um laser de pulso curto. Uma bomba de laser fornece energia luminosa a um cristal especial. O cristal conduz o processo transferindo energia do feixe da bomba em pulsos de sinal ultracurtos. Durante este processo, as partículas de luz incidente são convertidas em luz infravermelha. A luz infravermelha permite experimentos, medições ou etapas de produção que não são possíveis com luz visível. Na indústria, lasers de pulso curto são usados na produção – por exemplo, para processamento preciso e cuidadoso de materiais. Eles também são usados em imagens médicas e pesquisas quânticas para fazer medições extremamente precisas em escala molecular.
“Projetar lasers de pulso curto com eficiência continua sendo um desafio não resolvido”, explica o Dr. Tobias Steinle, principal autor do estudo. “Para gerar pulsos curtos, precisamos amplificar o feixe incidente e cobrir uma ampla faixa de comprimento de onda.” Até agora, não foi possível combinar ambas as propriedades simultaneamente num sistema óptico pequeno e compacto. “Amplificadores de laser de banda larga normalmente requerem cristais muito curtos e finos. Em contraste, cristais mais longos são preferidos para amplificadores de alta eficiência. Uma solução é encadear vários cristais curtos em série, uma abordagem que tem sido explorada em pesquisas. Independentemente da opção escolhida, o tempo entre os pulsos da bomba e os pulsos de sinal deve permanecer sincronizado. “
Novo conceito multicanal
A equipe abordou essa compensação com uma estratégia multicanal. Em vez de depender de um único cristal longo ou empilhar muitos cristais curtos, eles passam a luz repetidamente através de um único cristal curto dentro de um amplificador óptico paramétrico. Após cada passagem, os pulsos separados são cuidadosamente reorganizados para permanecerem sincronizados. O resultado é um sistema que pode gerar pulsos menores que 50 femtossegundos, ocupar apenas alguns centímetros quadrados e usar apenas cinco componentes.
“Nosso sistema multicanal mostra que a eficiência extrema não precisa ser feita às custas da largura de banda”, explica Steinle. “Ele poderia substituir os grandes e caros sistemas de laser com perda de potência, anteriormente necessários para amplificar pulsos ultracurtos.” O design também pode ser ajustado para comprimentos de onda além do infravermelho e acomodar diferentes cristais e durações de pulso. Com base neste conceito, os pesquisadores pretendem criar lasers pequenos, leves, compactos, portáteis e ajustáveis, que possam definir com precisão o comprimento de onda. Os possíveis casos de uso incluem medicina, tecnologia analítica, detecção de gases e monitoramento ambiental.
O apoio financeiro vem do Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR) por meio do programa KMU-Innovativ, do Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Energia (BMWE), do Ministério da Ciência, Pesquisa e Artes de Baden-Württemberg, da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), da Fundação Carl Zeiss, da Fundação Baden-Württemberg, do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica Integrada (IQST) e da Mobilidade Campus de Inovação do Futuro (ICM). Este trabalho foi realizado pelo Quarto Instituto de Física da Universidade de Stuttgart em colaboração com Stuttgart Instruments GmbH no âmbito do projeto MIRESWEEP (uma nova fonte de laser infravermelho médio sintonizável e econômica para aplicações analíticas).
