Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um laser que produz os pulsos de laser ultracurtos mais fortes até hoje. No futuro, esses pulsos de alta potência poderão ser usados para medições de precisão ou processamento de materiais.
A palavra laser geralmente evoca a imagem de um feixe de luz fortemente concentrado e contínuo. Os lasers que produzem essa luz são, na verdade, muito comuns e úteis. No entanto, a ciência e a indústria muitas vezes também exigem pulsos de luz laser muito curtos e fortes. Esses pulsos podem ser usados para usinar materiais ou para criar altas frequências harmônicas até raios X, o que pode ajudar a tornar visíveis processos extremamente rápidos na faixa de attossegundos (um bilionésimo de bilionésimo de segundo).
Uma equipe de pesquisadores da ETH Zurique, liderada por Ursula Keller, professora do Instituto de Eletrônica Quântica, estabeleceu agora um novo recorde para esses pulsos de laser: com 550 watts de potência média, eles superam o máximo anterior em mais de 50%, o que torna eles os pulsos mais fortes já criados por um oscilador de laser. Ao mesmo tempo, eles são extremamente curtos – duram menos de um picossegundo, ou um milionésimo de milionésimo de segundo – e saem do laser em uma sequência regular a uma alta taxa de cinco milhões de pulsos por segundo. Os pulsos curtos atingem potências máximas de 100 megawatts (o que, em teoria, seria suficiente para alimentar 100.000 aspiradores por um curto período). Os pesquisadores publicaram recentemente seus resultados na revista científica Optica.
“Este recorde é o resultado de uma longa e emocionante jornada com muita física interessante do laser.”
Nos últimos 25 anos, o grupo de pesquisa de Keller tem trabalhado no aprimoramento contínuo dos chamados lasers de disco pulsado curto, nos quais o material do laser consiste em um disco fino, de apenas 100 micrômetros de espessura, de um cristal contendo átomos de itérbio.
Repetidamente, Keller e seus colegas encontraram novos problemas que inicialmente impediram um maior aumento de poder. Muitas vezes, aconteciam incidentes espetaculares em que diferentes partes dentro do laser eram destruídas. A solução dos problemas levou a novos insights que tornaram os lasers de pulso curto, que também são populares em aplicações industriais, mais confiáveis.
“A combinação de potência ainda mais elevada e taxas de impulso de 5,5 megahertz, que alcançámos agora, baseia-se em duas inovações”, explica Moritz Seidel, candidato a doutoramento no laboratório de Keller. Por um lado, ele e seus colegas usaram um arranjo especial de espelhos que enviam a luz dentro do laser através do disco várias vezes antes de deixar o laser através de um espelho de acoplamento externo. “Esse arranjo nos permite amplificar extremamente a luz sem que o laser fique instável”, diz Seidel.
A segunda inovação diz respeito à peça central do laser pulsado: um espelho especial feito de material semicondutor, que foi inventado por Keller já há trinta anos e atende pela memorável abreviatura SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror). Ao contrário dos espelhos normais, a refletividade de um SESAM depende da intensidade da luz que o atinge.
Pulsos graças ao SESAM
Usando o SESAM, os pesquisadores induzem seu laser a enviar pulsos curtos em vez de um feixe contínuo. Os pulsos têm maior intensidade porque a energia luminosa se concentra em um período de tempo mais curto. Para que um laser envie luz laser, a intensidade da luz dentro dele deve exceder um certo valor limite. É aqui que entra o SESAM: reflecte a luz que já passou várias vezes pelo disco amplificador, de forma particularmente eficiente se a intensidade da luz for elevada. Como resultado, o laser entra automaticamente no modo pulsado.
“Pulsos com potências comparáveis aos que alcançamos agora só poderiam, até agora, ser alcançados enviando pulsos de laser mais fracos através de vários amplificadores separados fora do laser”, diz Seidel. A desvantagem disto é que a amplificação também gera mais ruído, correspondendo a flutuações na potência, o que causa problemas principalmente em medições de precisão. Para criar a alta potência diretamente usando o oscilador laser, os pesquisadores tiveram que resolver uma série de problemas técnicos complicados – por exemplo, como anexar à camada semicondutora do espelho SESAM uma fina janela de safira, que melhora fortemente as propriedades do espelho. . “Quando finalmente funcionou e observámos como o laser criava impulsos, foi muito fixe”, diz Seidel.
Alternativa aos amplificadores
Ursula Keller também está entusiasmada com estes resultados e enfatiza: “O apoio da ETH Zurich ao longo dos anos e o financiamento confiável da minha pesquisa pelo Fundo Nacional Suíço ajudaram a mim e aos meus colaboradores a alcançar este grande resultado. encurtar esses pulsos de forma muito eficiente para o regime de alguns ciclos, o que é muito importante para criar pulsos de attossegundos.”
De acordo com Keller, os pulsos rápidos e fortes possibilitados pelo novo laser também poderiam ter aplicações em novos chamados pentes de frequência no regime ultravioleta para raios X, o que poderia levar a relógios ainda mais precisos. “Um sonho seria mostrar, um dia, que as constantes naturais afinal não são constantes”, diz Keller. Além disso, a radiação terahertz, que tem um comprimento de onda muito maior que a luz visível ou infravermelha, pode ser criada com o laser e depois usada, por exemplo, para testar materiais. “Em suma, pode-se dizer que com nossos lasers de pulsos mostramos que os osciladores de laser são uma boa alternativa aos sistemas de laser baseados em amplificadores e que permitem medições novas e melhores”, resume Keller.
Referência
Seidel M, Lang L, Phillips CR, Keller U. Oscilador laser de disco fino de potência média ultrarrápido de 550 W, Optica 11, 1368-1375 (2024) doi: 10.1364/OPTICA.529185
Oliver Morsch