Os pesquisadores do Graphene Flagship desenvolveram um laser de fibra óptica que emite pulsos com durações equivalentes a apenas alguns comprimentos de onda da luz usada. Este dispositivo mais rápido de sempre baseado em grafeno será ideal para uso em espectroscopia ultrarrápida, e em lasers cirúrgicos que evitam danos por calor aos tecidos vivos.

Ultra rápido e ultracurto

As aplicações fotônicas avançadas, como a espectroscopia de alta velocidade, requerem pulsos ultracurtos para capturar fenômenos físicos transitórios nos materiais estudados. Na prática, isso significa pulsos de laser na faixa do femtossegundo (10-15s). Um exemplo de tal aplicação é a espectroscopia de bomba-sonda de processos de relaxação fotoquímica.

"Ao projetar a luz para viajar em pulsos ultracurtos, é importante entender sua natureza de onda, "diz Daniel Popa, chefe do grupo de fotônica no Cambridge Graphene Center, e líder de seu projeto de pesquisa de laser baseado em grafeno. "Para que a luz se propague como uma onda mecânica em um cabo esticado, o pulso mais curto possível é definido por uma única oscilação de onda. "

A resolução de tempo é limitada pela duração do pulso de laser usado. Quanto mais curto o pulso, quanto maior a resolução espectroscópica, com a resolução mais alta possível definida pela duração do ciclo da frequência de luz particular empregada. Nos regimes visível e infravermelho próximo, em que a maioria dos lasers ultrarrápidos operam, a duração final do pulso está entre 2 e 5 femtossegundos. Pulsos mais curtos requerem comprimentos de onda mais curtos.

Limites teóricos à parte, pulsos tão curtos quanto dois ciclos podem ser gerados a partir de cavidades de laser usando uma técnica conhecida como bloqueio de modo passivo. Com lasers de safira de titânio, comum em laboratórios fotônicos em todo o mundo, pulsos de 5 femtossegundos de comprimento podem ser produzidos em um comprimento de onda de 800 nanômetros, correspondendo a menos de dois ciclos. Esses pulsos não são sintonizáveis, Contudo. Pulsos de poucos ciclos ajustáveis ​​podem ser alcançados explorando efeitos não lineares em amplificadores paramétricos ópticos, mas os arranjos práticos tendem a ser complexos e caros.

Lasers de fibra são plataformas atraentes para geração de pulso ultracurto, devido à sua simplicidade, projetos compactos e econômicos, sua dissipação de calor eficiente, e uma operação sem alinhamento que não requer configurações ópticas volumosas. Com osciladores baseados em fibra, pulsos ultracurtos podem ser gerados por modo de bloqueio passivo, que requer um componente não linear conhecido como absorvedor saturável. O grafeno tem as propriedades físicas ideais para fazer esse absorvente saturável.

Um laser totalmente de fibra à base de grafeno para pulsos de luz de poucos ciclos

Lasers de modo bloqueado à base de grafeno foram demonstrados antes, mas é o uso deste novo material bidimensional em um compacto, configuração toda em fibra que marca o trabalho de Popa e seus colegas. Seu avanço é descrito em um artigo publicado recentemente na revista. Cartas de Física Aplicada , o primeiro autor é o estudante de doutorado David Purdie.

Com lasers de fibra, pulsos de femtossegundos são normalmente gerados por meio de bloqueio de modo de soliton. Um soliton é uma onda solitária auto-reforçada que mantém sua forma sem distorção enquanto viaja em velocidade constante ao longo de um guia de ondas, como uma fibra óptica. Solitons são o resultado de efeitos dispersivos e não lineares que se cancelam no meio do guia de ondas, permitindo assim que um envelope de pulso estável se propague.

Os formatos totalmente em fibra são preferíveis em termos de custo, compacidade e robustez, e a estratégia aqui é usar uma cavidade baseada em segmentos alternados de fibras de dispersão positiva e negativa que levam ao alargamento e compressão periódica dos pulsos.

A chave é extrair o pulso dessa cavidade quando sua duração for mínima, e potência de pico, portanto, no máximo. Devido à alta potência de pico do pulso extraído, novos componentes de frequência podem ser gerados por meio de efeitos ópticos não lineares dentro de um comprimento externo de fibra, e estes são críticos quando se trata de diminuir ainda mais a duração do pulso. Isso se baseia na relação matemática em ondas entre os domínios da frequência e do tempo, conhecida como transformada de Fourier. Para realizar essa transformação na forma física, os pesquisadores projetaram uma linha de atraso dispersiva que dobra os componentes de frequência recém-criados em um único pulso.

A configuração dos pesquisadores da Graphene Flagship foi baseada apenas em equipamentos de telecomunicações padrão, com um absorvedor saturável à base de um composto de grafeno e álcool polivinílico (PVA) fabricado por processamento de solução de baixo custo, com os flocos de grafeno esfoliados da grafite em massa por agitação ultrassônica da solução. A evaporação deixa para trás um composto de grafeno-PVA de 50 mícrons de espessura, que é então ensanduichada entre os conectores de fibra.

Com esta configuração, Purdie e seus colegas foram capazes de gerar 29 pulsos de femtossegundo, o que corresponde a menos de seis ciclos em um comprimento de onda de 1,5 mícron.

A compensação para efeitos não lineares e dispersivos de ordem superior deve levar a um comprimento de pulso mais curto, e o uso de um diodo de maior potência, ou uma configuração de bomba dupla, pode resultar em pulsos de largura de banda maiores, bem como em potência de saída aumentada. Finalmente, a adição de fibras de cristal fotônico poderia, em princípio, permitir a geração de pulsos de laser curtos semelhantes em outros comprimentos de onda.

"O que é realmente notável sobre este projeto é a facilidade de combinar grafeno com fibras ópticas prontas para uso em um formato altamente compacto, "diz Popa." Desta forma, podemos gerar pulsos de luz que duram apenas alguns ciclos, ou alguns milionésimos de bilionésimo de segundo. "