Pequeno laser pode transformar a medicina e a ciência quântica

“Com o nosso novo sistema, podemos alcançar níveis de eficiência que antes eram quase inatingíveis”, afirma o Prof. Harald Giessen, Chefe do 4º Instituto de Física da Universidade de Stuttgart. Em testes, a equipe mostrou que os lasers de pulso curto podem atingir fundamentalmente 80% de eficiência. Em termos práticos, 80% da potência de entrada torna-se saída utilizável. “Para efeito de comparação: as tecnologias actuais atingem apenas cerca de 35% – o que significa que perdem grande parte da sua eficiência e são correspondentemente caras”, explica Giessen.

Muita energia em um tempo extremamente curto

Lasers de pulso curto emitem rajadas que duram apenas nano, pico ou femtossegundos (ou seja, de alguns bilionésimos a quatrilionésimos de segundo). Como os pulsos são tão breves, uma grande quantidade de energia pode ser entregue a um ponto minúsculo quase que instantaneamente. A configuração combina um laser de bomba com um laser de pulso curto. A bomba laser fornece energia luminosa a um cristal especial. Este cristal conduz o processo transferindo energia do feixe da bomba para o pulso de sinal ultracurto. Ao fazer isso, as partículas de luz que chegam são convertidas em luz infravermelha. O infravermelho permite experimentos, medições ou etapas de produção que a luz visível não consegue alcançar. Na indústria, lasers de pulso curto são usados ​​na produção – por exemplo, para processamento preciso e cuidadoso de materiais. Eles também são empregados em imagens médicas e em pesquisas quânticas para medições excepcionalmente exatas em escala molecular.

“Projetar lasers de pulso curto de forma eficiente continua sendo um desafio não resolvido”, explica o Dr. Tobias Steinle, principal autor do estudo. “Para gerar pulsos curtos, precisamos amplificar o feixe de luz que chega 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 largura de banda larga normalmente precisam de cristais que sejam muito curtos e finos. Amplificadores de alta eficiência, em contraste, favorecem cristais muito mais longos. Uma solução alternativa é conectar vários cristais curtos em série, uma abordagem já explorada em pesquisas. Seja qual for a escolha, o tempo entre a bomba e os pulsos de sinal deve permanecer sincronizado.

Novo conceito multipassagem

A equipe aborda essa compensação com uma estratégia multipass. 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 realinhados para manter a sincronização. O resultado é um sistema que produz pulsos menores que 50 femtossegundos, ocupa apenas alguns centímetros quadrados e usa apenas cinco componentes.

“Nosso sistema multipass demonstra que eficiências extremamente altas não precisam ocorrer às custas da largura de banda”, explica Steinle. “Ele pode substituir sistemas de laser grandes e caros com altas perdas de potência, que anteriormente eram 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. 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) 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 Baden-Wuerttemberg, do Centro de Ciência e Tecnologia Quântica Integrada (IQST) e da Mobilidade Campus de Inovação 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 de laser infravermelho médio sintonizável e econômica para aplicações analíticas).