Os lasers que produzem pulsos de luz ultracurtos oferecem uma precisão excepcional para a manufatura, medicina e estudos científicos. O problema é que sistemas de pulsos curtos de alta eficiência geralmente ocupam um espaço significativo e vêm com altos custos. Uma equipe da Universidade de Stuttgart, em colaboração com a Stuttgart Instruments GmbH, introduziu uma alternativa compacta. O dispositivo é mais de duas vezes mais eficiente do que muitos setups existentes, pequeno o suficiente para caber na palma da mão e projetado para uso amplo. A abordagem foi relatada na Nature.
“Com nosso novo sistema, podemos alcançar níveis de eficiência que eram quase inatingíveis anteriormente”, afirma o Prof. Harald Giessen, chefe do 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart. Em testes, a equipe demonstrou que lasers de pulsos curtos podem alcançar fundamentalmente 80% de eficiência. Em termos práticos, 80% da potência de entrada se torna saída utilizável. “Para comparação: as tecnologias atuais alcançam apenas cerca de 35% — o que significa que elas perdem grande parte de sua eficiência e, consequentemente, são correspondentemente caras”, explica Giessen.
Muita energia em um tempo extremamente curto
Os lasers de pulsos curtos emitem rajadas que duram apenas nano-, pico- ou femtosegundos (ou seja, alguns bilhões a quadrilhões de segundos). Como os pulsos são tão breves, uma grande quantidade de energia pode ser entregue a um ponto minúsculo quase instantaneamente. O setup combina um laser bomba com o laser de pulsos curtos. O laser bomba entrega energia luminosa a um cristal especial. Este cristal impulsiona o processo, transferindo energia da luz do laser bomba para o pulso de sinal ultracurto. Ao fazer isso, as partículas de luz que entram são convertidas em luz infravermelha. O infravermelho possibilita experimentos, medições ou etapas de produção que a luz visível não pode alcançar. Na indústria, lasers de pulsos curtos são usados na produção — por exemplo, para processamento de materiais preciso e delicado. Eles também são empregados em imagens médicas e em pesquisa quântica para medições excepcionalmente exatas em escala molecular.
“Projetar lasers de pulsos curtos com eficiência continua sendo um desafio não resolvido”, explica o Dr. Tobias Steinle, autor principal do estudo. “Para gerar pulsos curtos, precisamos amplificar o feixe de luz que entra e cobrir uma ampla gama de comprimentos de onda.” Até agora, não foi possível combinar ambas as propriedades simultaneamente em um sistema óptico pequeno e compacto. Amplificadores laser de banda larga geralmente necessitam de cristais que sejam muito curtos e finos. Amplificadores de alta eficiência, por outro lado, favorecem cristais muito mais longos. Uma solução possível é conectar vários cristais curtos em série, uma abordagem já explorada em pesquisas. Seja qual for a escolha, o tempo entre os pulsos bomba e sinal deve permanecer sincronizado.
Nova abordagem de multipassagem
A equipe aborda essa troca com uma estratégia de multipassagem. Em vez de depender de um cristal longo ou empilhar muitos cristais curtos, eles fazem a luz passar repetidamente por um único cristal curto dentro de um amplificador paramétrico óptico. Após cada passagem, os pulsos separados são cuidadosamente realinhados para manter a sincronização. O resultado é um sistema que produz pulsos mais curtos que 50 femtosegundos, ocupa apenas alguns centímetros quadrados e utiliza apenas cinco componentes.
“Nosso sistema de multipassagem demonstra que eficiências extremamente altas não precisam vir à custa da largura de banda”, explica Steinle. “Isso pode substituir sistemas de laser grandes e caros com altas perdas de potência, que eram necessários anteriormente para amplificar pulsos ultracurtos.” O design também pode ser ajustado para comprimentos de onda além do infravermelho e adaptado a diferentes cristais e durações de pulso. Com base neste conceito, os pesquisadores pretendem criar lasers pequenos, leves, compactos e portáteis que possam definir comprimentos de onda com precisão. Usos prováveis incluem medicina, técnicas analíticas, detecção de gases e monitoramento ambiental.
O apoio financeiro veio 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-Wuerttemberg, da Fundação Alemã de Pesquisa (DFG), da Fundação Carl Zeiss, da Fundação de Baden-Wuerttemberg, do Centro para Ciência e Tecnologia Quântica Integrada (IQST) e do Campus de Inovação Mobilidade do Futuro (ICM). O trabalho foi realizado pelo 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart em colaboração com a Stuttgart Instruments GmbH sob o projeto MIRESWEEP (uma fonte de laser mid-infravermelho ajustável, econômica e nova para aplicações analíticas).
