Ao longo de seis décadas, cientistas e engenheiros transformaram o mais breve lampejo de luz laser em pulsos ultrarrápidos com um impacto poderoso. Rebecca Pool da ESCI fala com o Prêmio Nobel, Professor Gerard Mourou, descobrir mais.

Quando o físico americano, Theodore Maiman, observou o primeiro flash de luz vermelha profunda do laser de rubi que ele construiu, ele provavelmente não percebeu que tinha acabado de mudar o mundo. Era maio de 1960:no final do ano, sua configuração seria replicada em muitos laboratórios, e nas próximas décadas, lasers seriam usados ​​em telecomunicações, processamento de materiais, cirurgia ocular e muito mais. O primeiro dispositivo simples e elegante de Maiman foi baseado em conceitos de laser que já vinham circulando no mundo da pesquisa há algum tempo. Já em 1917, Albert Einstein descobriu que os elétrons dentro dos átomos podem ser excitados para emitir cascatas de fótons, em um processo conhecido como emissão estimulada.

Na década de 1950, Pioneiros do laser nos Estados Unidos, Charles Townes da Bell Labs, e Arthur Schawlow da Columbia University, desenvolveram 'masers', dispositivos semelhantes aos lasers, mas que produzem microondas e ondas de rádio em vez de luz visível. E no final desta década, Schawlow, Townes e outros físicos estavam ocupados projetando versões ópticas do maser, em breve será apelidado de 'laser'. Mas foi Maiman quem realmente produziu o primeiro laser funcional. Laser é um acrônimo para "amplificação de luz por emissão estimulada de radiação". Para perceber esse efeito, Maiman construiu um dispositivo que consistia em um curto, haste de rubi com uma extremidade prateada e outra parcialmente prateada com um pequeno orifício.

A haste foi colocada dentro de um brilhante, espiral, lanterna xenon, que Maiman usou para iluminar intensamente e estimular os elétrons do rubi a emitirem fótons. Esses fótons poderiam então saltar para frente e para trás entre os espelhos finais da haste, excitando mais elétrons para emitir fótons, até que os fótons escapassem da haste como um curto, rajada bem compacta de luz laser coerente. O laser de rubi de Maiman emitiu pulsos vermelhos profundos de luz laser, Mas logo, físicos de laser estariam usando outros sólidos, bem como gases, corantes líquidos, íons, vapores de metal e, eventualmente, semicondutores para produzir pulsos e feixes contínuos de luz laser.

No início dos anos 1960, lasers já estavam aparecendo no mercado comercial por meio de empresas como Perkin-Elmer e Spectra-Physics. E o mais importante, os dispositivos já estavam sendo usados ​​para destruir tumores da retina, soldar molas a relógios e muito mais. O potencial dos lasers não foi perdido pelo então promissor físico do laser, Gerard Mourou, que estava estudando para seu doutorado. em Paris VI em 1973. Como ele diz à ESCI:"Quando comecei meu Ph.D., meu supervisor tinha acabado de duplicar o laser Maiman em seu laboratório. Fiquei muito interessado nisso ... e também muito animado com suas novas aplicações, " ele adiciona.

No início dos anos 1970, o modo de bloqueio de laser foi inventado, tornando possível a produção de um fluxo repetitivo de pulsos de laser intensos e curtos. Mais importante, esses pulsos curtos significavam que os pesquisadores agora podiam estudar as reações físicas e químicas como nunca antes. Como Mourou aponta:"Eu queria estudar como os átomos, moléculas e objetos muito pequenos se moviam, então estava tentando produzir pulsos muito curtos de lasers. "

Contudo, a física do laser havia alcançado um bloqueio na estrada. Este desenvolvimento de curta, pulsos de laser não foram acompanhados por um grande aumento na energia por pulso, ou potência de pico. Enquanto o minúsculo, pulsos de nanojoule desses pulsos curtos, lasers de modo bloqueado podem ser amplificados um milhão de vezes ao nível de milijoule, qualquer amplificação maior destruía o amplificador e os componentes do laser. Os pesquisadores poderiam produzir lasers de alta energia sem os danos, aumentando o diâmetro do feixe de laser, mas tal configuração exigia instalações massivas de laser que apenas os institutos de pesquisa nacionais podiam pagar.

Mas Mourou tinha uma solução:amplificação de pulso chilreado. Trabalhando com seu aluno, Donna Strickland, ele desenvolveu um processo para esticar o pulso curto de laser no tempo, usando uma rede de difração, para reduzir sua potência de pico. Esta luz menos potente poderia então ser amplificada com segurança para energias mais altas sem danificar os componentes do laser e então recomprimida para sua duração de tempo original com uma grade adicional. O resultado final foi um pulso poderoso e nenhum dano do laser. Em 1985, Mourou e Strickland produziram um curto período de tirar o fôlego, pulso de dois picossegundos com um relativamente modesto 1 milijoule de energia. Eles logo geraram um pulso ainda mais curto de um picossegundo, que a 1 joule, tinha 1000 vezes mais energia. A amplificação de pulso chilreado foi bem demonstrada e, décadas depois, eles receberiam o prêmio Nobel de Física de 2018 por sua invenção.

Desde o seu desenvolvimento, a amplificação de pulso chilreado tornou-se o padrão em todos os lasers de alta intensidade, e Mourou usou a técnica para desenvolver pulsos de laser cada vez mais curtos com energias maiores e potências de pico cada vez mais altas. Ultrashort, intensos pulsos de laser foram criados em laboratórios em todo o mundo, permitindo que os pesquisadores obtenham imagens de processos de frações de segundo em nível molecular, e estudar eventos inconcebivelmente rápidos, incluindo fotossíntese e movimento de elétrons em átomos e moléculas.

De fato, físicos da Universidade de Munique registraram recentemente um elétron escapando de um átomo de hélio, um evento que ocorre em um único zeptosegundo, ou um trilionésimo de bilionésimo de segundo. "O obturador da sua câmera opera em um milissegundo, mas esses curtos pulsos de laser agora são medidos em [pelo menos] um milionésimo de bilionésimo de segundo, "diz Mourou." Com esses lasers de ultra-alta intensidade, podemos estudar física subatômica, incluindo o núcleo, e também estou muito animado para estudar as flutuações de energia infinitesimalmente pequenas no vácuo. "

Mas além de capturar inimaginavelmente rápido, eventos atômicos e subatômicos, a alta intensidade do laser também foi aproveitada para cortar ou perfurar com precisão recursos em uma variedade de materiais biológicos e artificiais de tirar o fôlego. Por exemplo, a amplificação de pulso chilreado tem sido usada há muito tempo em cirurgia ocular para abrir a lente sem danificar o tecido circundante, e também para cauterizar os vasos sanguíneos.

O método também é amplamente utilizado para gravar poços em discos ópticos, para armazenamento de dados, usinar a tampa de vidro usada em telefones celulares, e padronizar as superfícies de peças de precisão para baterias, implantes e muito mais.

De fato, Dr. Santiago Miguel Olaizola, do Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) no País Basco, Espanha, tem explorado lasers de pulso ultracurto para desenvolver processos para definir tais padrões e texturas - conhecidos como estruturas de superfície periódica induzida por laser (LIPSS) - em localizações precisas nas superfícies. Como um parceiro-chave no projeto europeu, Laser4surf, Olaizola, ao lado de colegas, pretende desenvolver um sistema para trazer LIPSS para a produção em massa. "A tecnologia de laser ultrarrápido para fabricação avançada tem amadurecido muito rapidamente nos últimos quinze anos, e tem mudado do laboratório para fábricas e empresas, ", diz ele." Mas agora gostaríamos de desenvolver e integrar ainda mais os processos para que possamos criar essas pequenas estruturas de superfície com muita rapidez e facilidade. "

O 'instrumento multifuncional' compreenderá três recursos principais; um módulo óptico, unidade de monitoramento e plataforma de software. O módulo óptico representa o coração do sistema e controlará os parâmetros do laser, como a potência do laser, perfil do feixe e comprimento de onda. Enquanto isso, a unidade de monitoramento em linha monitorará as propriedades dos padrões de superfície à medida que são criados. E a nova plataforma de software permitirá que os usuários industriais selecionem os parâmetros do processo de acordo com o material que está sendo padronizado.

“Com a unidade de monitoramento, seremos capazes de rastrear quaisquer mudanças inesperadas para descobrir se, dizer, algo aconteceu com o laser, "explica Olaizola." E as ferramentas do software vão permitir que o usuário escolha, por exemplo, a profundidade das estruturas de superfície e ajustar o instrumento para ajustar os parâmetros do laser para isso, sem precisar entender profundamente o processo. "

Um protótipo está agendado para o início de 2020, e será usado para criar LIPSS em baterias avançadas, implantes dentários e os codificadores lineares que fornecem feedback de posição em máquinas-ferramenta e sistemas de automação. "Queríamos demonstrar o sistema em uma combinação de diferentes tecnologias, "destaca Olaizola." As baterias estão em alta demanda e são produzidas em massa, Os implantes dentários são uma aplicação social importante e os codificadores lineares precisam de uma usinagem muito precisa. "

De acordo com Olaizola, o protótipo Laser4Surf irá inicialmente contar com baixa energia, lasers pulsados ​​ultracurtos que não usam a amplificação de pulso chilreado de Mourou e Strickland. Mas em um estágio posterior, isso vai mudar. "A amplificação de pulso chirped permite que você tenha mais energia em cada pulso de laser, que permite um processamento mais rápido de materiais, "ele diz." A velocidade será muito importante em futuras aplicações LIPSS; assim que a produção em massa for estabelecida, vamos apenas precisar fabricar produtos cada vez mais rápido. "