Engenheiros produzem o primeiro laser prático de titânio-safira em um chip do mundo

No que diz respeito aos lasers, aqueles feitos de titânio-safira (Ti: safira) são considerados de desempenho “inigualável”. Eles são indispensáveis ​​em muitos campos, incluindo óptica quântica de ponta, espectroscopia e neurociência. Mas esse desempenho tem um preço alto. Os lasers Ti:safira são grandes, da ordem de metros cúbicos de volume. Eles são caros, custando centenas de milhares de dólares cada. E eles exigem outros lasers de alta potência, custando US$ 30 mil cada, para fornecer energia suficiente para funcionar.

Como resultado, os lasers Ti:sapphire nunca alcançaram a ampla adoção no mundo real que merecem – até agora. Em um salto dramático em escala, eficiência e custo, pesquisadores da Universidade de Stanford construíram um laser Ti:safira em um chip. O protótipo é quatro ordens de magnitude menor (10.000x) e três ordens mais barato (1.000x) do que qualquer laser Ti:safira já produzido.

“Este é um afastamento completo do modelo antigo”, disse Jelena Vučković, professora Jensen Huang em Liderança Global, professora de engenharia elétrica e autora sênior do artigo que apresenta o laser Ti: safira em escala de chip publicado na revista Natureza.

“Em vez de um laser grande e caro, qualquer laboratório poderá em breve ter centenas desses valiosos lasers em um único chip. E você pode alimentar tudo isso com um apontador laser verde.”

Benefícios profundos

“Quando você salta do tamanho de uma mesa de trabalho e cria algo que pode ser produzido em um chip a um custo tão baixo, isso coloca esses lasers poderosos ao alcance de muitas aplicações importantes diferentes”, disse Joshua Yang, candidato a doutorado no laboratório de Vučković e coautor do estudo, juntamente com os colegas do Laboratório de Fotônica Quântica e Nanoescala de Vučković, o engenheiro de pesquisa Kasper Van Gasse e o pesquisador de pós-doutorado Daniil M. Lukin.

Em termos técnicos, os lasers Ti:safira são muito valiosos porque têm a maior “largura de banda de ganho” de qualquer cristal de laser, explicou Yang. Em termos simples, o ganho de largura de banda se traduz na gama mais ampla de cores que o laser pode produzir em comparação com outros lasers. Também é ultrarrápido, disse Yang. Pulsos de luz surgem a cada quatrilionésimo de segundo.

Mas os lasers Ti:safira também são difíceis de encontrar. Até mesmo o laboratório de Vučković, que realiza experimentos de óptica quântica de ponta, tem apenas alguns desses valiosos lasers para compartilhar. O novo laser Ti:sapphire cabe em um chip medido em milímetros quadrados. Se os pesquisadores puderem produzi-los em massa em wafers, potencialmente milhares, talvez dezenas de milhares de lasers de Ti:safira poderiam ser espremidos em um disco que cabe na palma da mão humana.

“Um chip é leve. É portátil. É barato e eficiente. Não há peças móveis. E pode ser produzido em massa”, disse Yang. “O que há para não gostar? Isso democratiza os lasers Ti: safira.”

Como isso é feito

Para moldar o novo laser, os pesquisadores começaram com uma camada volumosa de titânio-safira em uma plataforma de dióxido de silício (SiO₂), todos montados em verdadeiro cristal de safira.

Eles então moem, gravam e lustram a safira Ti: até obter uma camada extremamente fina, com apenas algumas centenas de nanômetros de espessura. Nessa camada fina, eles formam um vórtice rodopiante de pequenas cristas. Essas cristas são como cabos de fibra óptica, guiando a luz ao redor e ao redor, aumentando a intensidade. Na verdade, o padrão é conhecido como guia de ondas.

“Matematicamente falando, a intensidade é a potência dividida pela área. Portanto, se você mantiver a mesma potência do laser de grande escala, mas reduzir a área em que ele está concentrado, a intensidade dispara”, diz Yang. “A pequena escala do nosso laser realmente nos ajuda a torná-lo mais eficiente.”

A peça restante do quebra-cabeça é um aquecedor em microescala que aquece a luz que viaja pelos guias de onda, permitindo que a equipe de Vučković altere o comprimento de onda da luz emitida para ajustar a cor da luz em qualquer lugar entre 700 e 1.000 nanômetros — do vermelho ao infravermelho.

Destaque para aplicativos

Vučković, Yang e colegas estão muito entusiasmados com a gama de campos que tal laser pode impactar. Na física quântica, o novo laser fornece uma solução barata e prática que poderia reduzir drasticamente os computadores quânticos de última geração.

Na neurociência, os pesquisadores podem prever aplicação imediata na optogenética, campo que permite aos cientistas controlar neurônios com luz guiada dentro do cérebro por fibra óptica relativamente volumosa. Lasers de pequena escala, dizem eles, podem ser integrados em sondas mais compactas, abrindo novos caminhos experimentais.

Na oftalmologia, ele pode encontrar um novo uso com a amplificação de pulso chilreado ganhadora do Prêmio Nobel em cirurgia a laser ou oferecer tecnologias de tomografia de coerência óptica mais compactas e menos dispendiosas usadas para avaliar a saúde da retina.

Em seguida, a equipe está trabalhando no aperfeiçoamento de seu laser Ti:sapphire em escala de chip e em maneiras de produzi-los em massa, milhares de cada vez, em wafers. Yang obterá seu doutorado neste verão com base nesta pesquisa e está trabalhando para levar a tecnologia ao mercado.

“Poderíamos colocar milhares de lasers em um único wafer de 4 polegadas”, diz Yang. “É aí que o custo por laser começa a se tornar quase zero. Isso é muito emocionante.”