Lasers que produzem pulsos de luz ultracurtos oferecem precisão excepcional para manufatura, medicina e estudos científicos. O problema é que sistemas de pulsos curtos de alta eficiência geralmente ocupam muito espaço e têm altos custos. Uma equipe da Universidade de Stuttgart, em colaboração com a Stuttgart Instruments GmbH, apresentou uma alternativa compacta. Seu 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 reportada na Nature.
“Com nosso novo sistema, conseguimos alcançar níveis de eficiência que eram praticamente inatingíveis até então”, diz o Prof. Harald Giessen, Chefe do 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart. Em testes, a equipe mostrou que lasers de pulsos curtos podem alcançar fundamentalmente 80% de eficiência. Em termos práticos, 80% da potência de entrada se torna uma saída utilizável. “Para fins de comparação: tecnologias atuais alcançam apenas cerca de 35% — o que significa que perdem grande parte de sua eficiência e, consequentemente, são correspondentemente caras”, explica Giessen.
Muita energia em um tempo extremamente curto
Lasers de pulsos curtos emitem explosões que duram apenas nano-, pico- ou femtossegundos (ou seja, alguns bilhões a quadrilhões de segundos). Como os pulsos são tão breves, uma grande quantidade de energia pode ser entregue a um pequeno ponto quase instantaneamente. O sistema combina um laser de bomba com o laser de pulsos curtos. O laser de bomba fornece energia luminosa a um cristal especial. Este cristal impulsiona o processo transferindo energia do feixe de bomba para o pulso de sinal ultracurtos. Ao fazer isso, as partículas de luz que entram são convertidas em luz infravermelha. A luz infravermelha possibilita experimentos, medições ou etapas de produção que a luz visível não pode realizar. Na indústria, lasers de pulsos curtos são utilizados na produção — por exemplo, para um processamento material preciso e suave. Eles também são empregados em imagens médicas e em pesquisas quânticas para medições excepcionalmente exatas em escalas moleculares.
“Projetar lasers de pulsos curtos de forma eficiente 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 faixa de comprimentos de onda.” Até agora, não foi possível combinar ambas as propriedades simultaneamente em um sistema óptico pequeno e compacto. Amplificadores de laser de larga largura de banda geralmente precisam de cristais que são muito curtos e finos. Amplificadores de alta eficiência, por outro lado, favorecem cristais muito mais longos. Uma solução alternativa é conectar vários cristais curtos em série, uma abordagem já explorada em pesquisas. Independentemente da escolha, o sincronismo entre os pulsos de bombeamento e de sinal deve permanecer alinhado.
Novo conceito multipasse
A equipe enfrenta essa troca com uma estratégia multipasse. Em vez de depender de um cristal longo ou empilhar muitos curtos, eles fazem o feixe de 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 com menos de 50 femtossegundos, ocupa apenas alguns centímetros quadrados e utiliza apenas cinco componentes.
“Nosso sistema multipasse demonstra que eficiências extremamente altas não precisam vir à custa da largura de banda”, explica Steinle. “Ele pode substituir sistemas de laser grandes e caros, com altas perdas de potência, que eram anteriormente necessários 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, portáteis e ajustáveis que possam definir comprimentos de onda com precisão. Possíveis casos de uso incluem medicina, técnicas analíticas, detecção de gases e monitoramento ambiental.
O apoio financeiro veio do Ministério Federal de Pesquisa, Tecnologia e Espaço (BMFTR) através do programa KMU-Innovativ, do Ministério Federal de Assuntos Econômicos e Energia (BMWE), do Ministério de Ciência, Pesquisa e Artes de Baden-Wuerttemberg, da Fundação de Pesquisa Alemã (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 nova fonte de laser mid-infravermelho ajustável e econômica para aplicações analíticas).
