Um novo dispositivo projetado pelo professor de óptica Chunlei Guo e o estudante de doutorado Billy Lam é um 'passo revolucionário' para caracterizar as propriedades dos feixes de laser de uma forma muito mais confiável e poderosa do que os interferômetros tradicionais. Crédito:J. Adam Fenster / University of Rochester
Se você deseja obter o maior benefício de um feixe de luz - seja para detectar um planeta distante ou remediar uma aberração no olho humano - você precisa ser capaz de medir as informações da frente do feixe.
Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade de Rochester desenvolveu uma maneira muito mais simples de medir feixes de luz - mesmo poderosos, feixes de laser pulsados super rápidos que requerem dispositivos muito complicados para caracterizar suas propriedades.
O novo dispositivo dará aos cientistas uma capacidade sem precedentes para ajustar até mesmo os pulsos de luz mais rápidos para uma série de aplicações, disse Chunlei Guo, professor de ótica, que usou feixes de laser pulsado de femtossegundo para tratar superfícies de metal de maneiras notáveis. E poderia tornar obsoletos os instrumentos tradicionais de medição de feixes de luz.
"Este é um passo revolucionário à frente, "diz Guo." No passado, tínhamos que caracterizar os feixes de luz com muito complicado, dispositivos interferométricos incômodos, mas agora podemos fazer isso com apenas um cubo óptico. É super compacto, super confiável, e super robusto. "
O dispositivo, desenvolvido por Guo e Billy Lam, um Ph.D. aluno em seu laboratório, é descrito em Nature Light:Ciência e Aplicações . Chamado de interferômetro de cisalhamento reverso em cunha, consiste em um cubo de prisma, montado a partir de dois prismas de ângulo reto.
-O cubo tem duas entradas angulares e divide o feixe em duas partes.
Quando o feixe sai do cubo, a luz refletida da parte esquerda do feixe e a luz transmitida da parte direita do feixe são emitidas de uma face do cubo. Por outro lado, a luz transmitida da parte esquerda do feixe e a luz refletida da parte direita são emitidas de outra face do cubo.
Isso cria um padrão de "interferência" extremamente estável para Guo e sua equipe medirem todas as características espaciais-chave de um feixe de luz - sua amplitude, Estágio, polarização, Comprimento de onda, e, no caso de feixes pulsados, a duração dos pulsos. E não apenas como uma média ao longo de toda a viga, mas em cada ponto do feixe.
Isso é especialmente importante em aplicativos de imagem, Guo diz. "Se um feixe não é perfeito, e há um defeito na imagem, é importante saber que o defeito é por causa da viga, e não por causa de uma variação no objeto que você está visualizando, "Guo diz.
À esquerda está o projeto básico de um interferômetro tradicional, e à direita o design mais compacto do interferômetro criado no laboratório de óptica do professor Chunlei Guo. Este novo interferômetro de cisalhamento de reversão de cunha tem a vantagem adicional de ser capaz de medir as informações da frente do feixe ou da frente de onda de poderosos, feixes de laser pulsados super rápidos, Crédito:ilustração da Universidade de Rochester / Michael Osadciw
"Idealmente, você deve ter um feixe perfeito para fazer imagens. E se você não, é melhor você saber disso, e então você pode corrigir suas medidas. Lasers ultrarrápidos são essenciais para registrar processos dinâmicos, e ter um dispositivo extremamente simples, mas robusto, para caracterizar ultrarrápidos ou qualquer tipo de feixe de laser é certamente importante. "
Albert Michaelson demonstrou o primeiro interferômetro na década de 1880, usando um divisor de feixe e dois espelhos. Os princípios básicos permanecem os mesmos em interferômetros usados hoje.
O divisor de feixe envia a luz dividida em caminhos óticos diferentes em direção aos espelhos. Os espelhos refletem cada feixe dividido de volta para que se recombinem no divisor de feixe. Os diferentes caminhos percorridos pelos dois feixes divididos causam uma diferença de fase que cria um padrão de franja de interferência. Esse padrão é então analisado por um detector para avaliar as características da onda.
Esta abordagem funcionou razoavelmente bem para caracterizar feixes de laser de onda contínua porque eles têm um longo tempo de "coerência", permitindo que eles interfiram mesmo depois de serem divididos, enviado ao longo de dois caminhos de comprimentos diferentes, e então recombinado, Guo diz.
Contudo, dada a curta duração de um feixe de laser pulsado de femtossegundo - cerca de um milionésimo de bilionésimo de segundo - interferômetro simples como a placa de cisalhamento, onde os feixes refletidos da superfície frontal e traseira interferem, não funciona mais ", diz Guo. Os feixes de laser pulsado de femtosegundo perderiam rapidamente sua coerência ao longo das vias não equidistantes de um interferômetro típico.
O cubo do prisma é projetado de forma a eliminar esse problema, ele diz. O cubo de prisma é o primeiro interferômetro de elemento único que pode caracterizar femtossegundos ou até mesmo pulsos de laser mais curtos.
Os pulsos de laser de femtosegundos oferecem duas vantagens. Sua duração incrivelmente curta é comparável às escalas de tempo em que "muitos processos fundamentais na natureza ocorrem, "Guo diz. Esses processos incluem um elétron movendo-se em torno do núcleo de um átomo, a vibração "reticulada" de átomos e moléculas, e o desdobramento de proteínas biológicas. Então, Os últimos pulsos de femtossegundos fornecem aos pesquisadores uma ferramenta para estudar e manipular esses processos.
Os pulsos de laser de femtosegundos também são incrivelmente poderosos. "O pico de potência de um pulso de laser de femtossegundo em meu laboratório é equivalente a toda a rede elétrica norte-americana, "Guo diz. Isso permite que seu laboratório use os pulsos de laser para gravar superfícies de metal com novas propriedades, então eles se tornam super-repelentes de água ou atraentes de água.
