Pesquisadores do Institut national de la recherche scientifique (INRS) descobriram uma maneira econômica de ajustar o espectro de um laser ao infravermelho, uma banda de grande interesse para muitas aplicações de laser. Eles colaboraram com equipes de pesquisa austríacas e russas para desenvolver esta inovação, que agora é objeto de um pedido de patente. Os resultados do seu trabalho foram publicados recentemente em Optica , o jornal principal da Optical Society (OSA).

Neste campo de estudo, muitas aplicações de laser têm uma vantagem decisiva se o comprimento de onda do laser estiver localizado e possivelmente sintonizável na região do infravermelho. Contudo, este dificilmente é o caso com as tecnologias de laser ultrarrápidas atuais, e os cientistas precisam explorar vários processos não lineares para mudar o comprimento de onda de emissão. Em particular, o amplificador paramétrico óptico (OPA) tem sido até agora a única ferramenta bem estabelecida para alcançar essa janela infravermelha. Embora os sistemas OPA ofereçam uma ampla gama de sintonização, eles são complexos, muitas vezes feito de estágios múltiplos, e muito caro.

A equipe do Professor Luca Razzari, em colaboração com o professor Roberto Morandotti, demonstrou que a sintonia de grandes comprimentos de onda também pode ser alcançada com um sistema simples e muito mais barato:uma fibra de núcleo oco (capilar) preenchida com nitrogênio. Além disso, esta abordagem fornece pulsos ópticos mais curtos do que aqueles do laser de entrada e com alta qualidade espacial. Os pesquisadores também tiveram o benefício da experiência do INRS neste campo, já que o sistema especial para esticar e segurar tais fibras é comercializado pela startup few-cycle.

Alargamento espectral assimétrico

Usualmente, fibras de núcleo oco são preenchidas com um gás monoatômico, como argônio, a fim de ampliar simetricamente o espectro do laser e, em seguida, recomprimi-lo em um pulso óptico muito mais curto. A equipe de pesquisa descobriu que, ao usar um gás molecular como o nitrogênio, o alargamento espectral ainda era possível, mas de uma maneira inesperada.

"Em vez de se espalhar simetricamente, o espectro foi deslocado de forma impressionante para comprimentos de onda infravermelhos menos energéticos. Esta mudança de frequência é o resultado da resposta não linear associada à rotação das moléculas de gás e, Como tal, pode ser facilmente controlado variando a pressão do gás (isto é, o número de moléculas) na fibra, "explica o Dr. Riccardo Piccoli, que liderou os experimentos na equipe de Razzari.

Uma vez que o feixe é ampliado em direção ao infravermelho, os pesquisadores filtram o espectro de saída para manter apenas a banda de interesse. Com esta abordagem, a energia é transferida para a faixa espectral do infravermelho próximo (com eficiência comparável à dos OPAs) em um pulso três vezes mais curto do que a entrada, sem qualquer aparelho complexo ou sistema de pós-compressão de pulso adicional.

Uma colaboração internacional

Para completar a pesquisa, os cientistas do INRS juntaram-se a colegas austríacos e russos. "Reunimos nossa experiência depois de descobrir em uma conferência como eram semelhantes os fenômenos que nossos dois grupos observaram, "diz Razzari.

A equipa de investigadores sedeada em Viena chefiada pelo Professor Andrius Baltuska e pelo Dr. Paolo A. Carpeggiani tinha uma estratégia complementar à do INRS. Eles também usaram uma fibra de núcleo oco preenchida com nitrogênio, mas em vez de filtrar o espectro, eles o comprimiram no tempo com espelhos capazes de ajustar a fase do pulso ampliado. "Nesse caso, a mudança geral no infravermelho foi menos extrema, mas o pulso final foi muito mais curto e mais intenso, perfeitamente adequado para attossegundo e física de campo forte, "diz o Dr. Carpeggiani.

A equipe sediada em Moscou, liderado pelo professor Aleksei Zheltikov, focado no desenvolvimento de um modelo teórico para explicar esses fenômenos ópticos. Ao combinar essas três abordagens, os pesquisadores foram capazes de compreender totalmente a complexa dinâmica subjacente, bem como alcançar não apenas o desvio para o vermelho extremo usando nitrogênio, mas também compressão de pulso eficiente na faixa do infravermelho.

A equipe internacional acredita que o método poderia muito bem atender à crescente demanda por fontes ultrarrápidas de comprimento de onda longo em aplicações de laser e de campo forte, começando com sistemas ajustáveis ​​de nível industrial mais baratos baseados na tecnologia emergente de laser de itérbio.