Uma quantidade enorme de energia em um tempo extremamente curto

“Com nosso novo sistema, podemos alcançar níveis de eficiência que eram anteriormente quase inatingíveis”, 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 torna-se saída utilizável. “Para comparação: as tecnologias atuais alcançam apenas cerca de 35% – o que significa que perdem muita de sua eficiência e são correspondentemente caras”, explica Giessen.

Lasers de pulsos curtos emitem rajadas que duram apenas nano-, pico- ou femtosegundos (ou seja, apenas alguns bilhões a quadrilhão de segundos). Devido à brevidade dos pulsos, uma grande quantidade de energia pode ser entregue a um ponto pequeno quase instantaneamente. O sistema combina um laser de bombeamento com o laser de pulsos curtos. O laser de bombeamento fornece energia luminosa a um cristal especial. Este cristal impulsiona o processo transferindo energia do feixe de 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, os lasers de pulsos curtos são usados na produção – por exemplo, para processamento de materiais preciso e suave. Eles também são empregados em imagens médicas e em pesquisas quânticas para medições excepcionalmente exatas em escala molecular.

Novo conceito de múltiplas passagens

“Projetar lasers de pulsos curtos de maneira eficiente continua sendo um desafio não resolvido”, explica Dr. Tobias Steinle, autor principal do estudo. “Para gerar pulsos curtos, precisamos amplificar o feixe de luz de entrada e cobrir uma ampla gama de comprimentos de onda.” Até agora, não era possível combinar ambas as propriedades simultaneamente em um sistema óptico pequeno e compacto.” Amplificadores a laser de larga banda normalmente necessitam de cristais que são muito curtos e finos. Por outro lado, amplificadores de alta eficiência favorecem cristais muito mais longos. Uma solução alternativa é conectar vários cristais curtos em série, abordagem já explorada na pesquisa. Qualquer que seja a escolha, o tempo entre os pulsos de bomba e sinal deve permanecer sincronizado.

A equipe aborda essa troca com uma estratégia de múltiplas passagens. Em vez de depender de um cristal longo ou empilhar muitos 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 com menos de 50 femtosegundos, ocupa apenas alguns centímetros quadrados e utiliza apenas cinco componentes.

“Nosso sistema de múltiplas passagens demonstra que eficiências extremamente altas não precisam vir à custa da largura de banda”, explica Steinle. “Ele pode substituir grandes e caros sistemas a laser com altas perdas de potência, que eram previamente 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 pulsos. Com base nesse conceito, os pesquisadores pretendem criar lasers pequenos, leves, compactos, portáteis e ajustáveis que possam definir comprimentos de onda com precisão. Os casos de uso prováveis 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 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 no âmbito do projeto MIRESWEEP (uma nova fonte laser tunável de infravermelho médio, econômica e ajustável para aplicações analíticas).