Embora crítico para aplicações variadas, como corte e solda, cirurgia e transmissão de bits através de fibra óptica, lasers têm algumas limitações - ou seja, eles apenas produzem luz em faixas de comprimento de onda limitadas. Agora, pesquisadores do Laboratório Ginzton da Universidade de Stanford modificaram fontes de luz semelhantes, chamados osciladores paramétricos ópticos, para superar esse obstáculo.

Até agora, essas fontes de luz menos conhecidas têm sido confinadas principalmente ao laboratório porque sua configuração deixa pouco espaço para erros - até mesmo um pequeno empurrão pode derrubar um fora do alinhamento. Contudo, seguindo uma decisão contra-intuitiva, os pesquisadores podem ter encontrado uma solução para esta fraqueza que poderia levar a menores, fontes de pulsos de luz mais econômicas e mais eficientes.

Trabalho deles, publicado em 1 de fevereiro em Cartas de revisão física , demonstra uma nova maneira de produzir pulsos de femtossegundo - pulsos medidos por quatrilionésimos de segundo - em faixas de comprimento de onda desejáveis ​​usando esta fonte de luz. A tecnologia pode potencialmente levar a uma melhor detecção de poluentes e doenças, simplesmente digitalizando o ar ou a respiração de alguém.

Uma inovação contra-intuitiva

A fonte de luz que esses pesquisadores estudam consiste em uma etapa inicial em que pulsos de luz de um laser tradicional são passados ​​por um cristal especial e convertidos em uma faixa de comprimento de onda difícil de acessar com lasers convencionais. Então, uma série de espelhos refletem os pulsos de luz em um ciclo de feedback. Quando este ciclo de feedback é sincronizado com os pulsos de laser de entrada, os pulsos recém-convertidos se combinam para formar uma saída cada vez mais forte.

Tradicionalmente, as pessoas não podiam converter muitos dos pulsos de luz iniciais na saída desejada com tal engenhoca. Mas para ser eficaz em aplicativos do mundo real, o grupo teve que aumentar essa porcentagem.

"Precisávamos de maior eficiência de conversão para provar que era uma fonte que vale a pena estudar, "disse Alireza Marandi, um membro da equipe do Laboratório Ginzton. "Então, acabamos de dizer, 'OK, quais são os botões que temos no laboratório? ' Viramos um que fazia os espelhos refletirem menos luz, que ia contra as diretrizes padrão, e a eficiência de conversão dobrou. "Os pesquisadores publicaram seus resultados experimentais iniciais há dois anos na Optica.

Aumentar a potência em um projeto convencional geralmente resulta em dois resultados indesejáveis:os pulsos aumentam e a eficiência de conversão cai. Mas no novo design, onde os pesquisadores diminuíram significativamente a refletividade de seus espelhos, o oposto ocorreu.

"Estávamos pensando sobre esse regime com base nas diretrizes de design padrão, mas o comportamento que veríamos no laboratório era diferente, "disse Marc Jankowski, autor principal do artigo e aluno de pós-graduação no Laboratório de Ginzton. "Estávamos vendo uma melhora no desempenho, e não podíamos explicar. "

Depois de mais simulações e experimentos de laboratório, o grupo descobriu que a chave não estava apenas tornando os espelhos menos refletivos, mas também alongando o ciclo de feedback. Isso prolongou o tempo que os pulsos de luz levavam para completar seu ciclo e deveria tê-los retardado muito. Mas quanto menor a refletividade, combinado com o atraso de tempo, fez com que os pulsos interagissem de maneiras inesperadas, o que os trouxe de volta à sincronização com seus novos parceiros.

Essa sincronização imprevista mais do que dobrou a largura de banda da saída, o que significa que ele pode emitir uma faixa mais ampla de comprimentos de onda dentro da faixa de difícil acesso com lasers convencionais. Para aplicações como detecção de moléculas no ar ou na respiração de uma pessoa, fontes de luz com maior largura de banda podem resolver moléculas mais distintas. Em princípio, os pulsos que este sistema produz podem ser comprimidos em até 18 femtossegundos, que pode ser usado para estudar o comportamento das moléculas.

A decisão de reduzir a refletividade do espelho teve a consequência surpreendente de tornar mais robusto um dispositivo que antes era muito fino, mais eficiente e melhor na produção de pulsos de luz ultracurtos em faixas de comprimento de onda de difícil acesso com lasers tradicionais.

Saindo do laboratório

O próximo desafio é projetar o dispositivo para caber na palma da mão.

"Você conversa com pessoas que trabalharam com essa tecnologia nos últimos 50 anos e eles são muito céticos sobre suas aplicações na vida real porque pensam nesses ressonadores como um arranjo de alta finesse que é difícil de alinhar e requer muito manutenção, "disse Marandi, que também é co-autor do artigo. "Mas neste regime de operação esses requisitos são super relaxados, e a fonte é super confiável e não precisa dos cuidados extensivos exigidos pelos sistemas padrão. "

Essa flexibilidade de design recente torna mais fácil miniaturizar esses sistemas em um chip, o que pode levar a muitas novas aplicações para detecção de moléculas e sensoriamento remoto.

"Às vezes, você reformula completamente a sua compreensão dos sistemas que pensa que conhece, "Jankowski disse." Isso muda a forma como você interage com eles, como você os constrói, como você os projeta e como eles são úteis. Trabalhamos nessas fontes há anos e agora obtivemos algumas pistas que realmente ajudarão a trazê-las do laboratório para o mundo. "