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É possível fazer um laser de femtosegundo inteiramente de vidro? Essa é a toca do coelho que Yves Bellouard, chefe do Laboratório Galatea da EPFL, desceu depois de anos gastando horas – e horas – alinhando lasers de femtossegundos para experimentos de laboratório.
O laboratório Galatea está na encruzilhada entre óptica, mecânica e ciência dos materiais, e os lasers de femtossegundos são um elemento crucial do trabalho de Bellouard. Os lasers de femtosegundo produzem rajadas de luz laser extremamente curtas e regulares e têm muitas aplicações, como cirurgia ocular a laser, microscopia não linear, espectroscopia, processamento de materiais a laser e, recentemente, armazenamento sustentável de dados. Os lasers comerciais de femtossegundos são feitos colocando componentes ópticos e suas montagens em um substrato, normalmente placas de ensaio ópticas, o que requer um alinhamento meticuloso da óptica.
“Usamos lasers de femtosegundo para nossas pesquisas sobre as propriedades não lineares dos materiais e como os materiais podem ser modificados em seu volume”, explica Bellouard. “Passar pelo exercício de dolorosos alinhamentos ópticos complexos faz você sonhar com maneiras mais simples e confiáveis de alinhar ópticas complexas.”
Bellouard e a solução de sua equipe? Use um laser de femtosegundo comercial para fazer um laser de femtosegundo de vidro, não maior que o tamanho de um cartão de crédito e com menos problemas de alinhamento. Os resultados são publicados na revista Óptica.
Como fazer um laser de femtosegundo de vidro
Para fazer um laser de femtosegundo usando um substrato de vidro, os cientistas começam com uma folha de vidro. “Queremos fazer lasers estáveis, por isso usamos vidro porque tem uma expansão térmica menor que os substratos convencionais, é um material estável e transparente para a luz do laser que usamos”, explica Bellouard.
Usando um laser comercial de femtosegundo, os cientistas gravam ranhuras especiais no vidro que permitem o posicionamento preciso dos componentes essenciais do laser. Mesmo na fabricação de precisão em nível de mícron, as ranhuras e os componentes não são suficientemente precisos por si só para alcançar o alinhamento com qualidade do laser. Ou seja, os espelhos ainda não estão perfeitamente alinhados, portanto, nesta fase, o seu dispositivo de vidro ainda não funciona como laser.
Os cientistas também sabem, por meio de pesquisas anteriores, que podem fazer o vidro expandir ou encolher localmente. Por que não utilizar esta técnica para ajustar o alinhamento dos espelhos?
A gravação inicial é, portanto, projetada de modo que um espelho fique em uma ranhura com flexões micromecânicas projetadas para agitar localmente o espelho quando exposto à luz laser de femtosegundo. Desta forma, o laser comercial de femtosegundo é usado uma segunda vez, desta vez para alinhar os espelhos e, finalmente, criar um laser de femtosegundo estável e de pequena escala.
“Esta abordagem para alinhar permanentemente componentes ópticos no espaço livre, graças à interação laser-matéria, pode ser expandida para uma ampla variedade de circuitos ópticos, com resoluções de alinhamento extremas, até subnanômetros”, diz Bellouard.
Aplicativos e muito mais
Os programas de pesquisa em andamento no Galatea Lab explorarão o uso desta tecnologia no contexto da montagem de sistemas ópticos quânticos, ampliando o limite da miniaturização e precisão de alinhamento atualmente alcançáveis.
O processo de alinhamento ainda é supervisionado por um operador humano e, com prática, pode levar algumas horas para ser alcançado. Apesar de seu pequeno tamanho, o laser é capaz de atingir aproximadamente um quiloWatt de potência de pico e emitir pulsos de menos de 200 femtossegundos, tempo suficiente para a luz viajar através de um fio de cabelo humano.
Esta nova tecnologia de laser de femtosegundo será desmembrada pela Cassio-P, empresa dirigida por Antoine Delgoffe do Galatea Lab, que se juntou ao projeto numa fase decisiva com a missão de finalizar a prova de conceito para um futuro dispositivo comercial.
“Um laser de femtosegundo se replicando, talvez estejamos chegando ao ponto de autoclonar dispositivos fabricados?” conclui Bellouard.
Financiamento
A pesquisa foi financiada pelo Conselho Europeu de Pesquisa sob uma bolsa ERC PoC, projeto GigamFemto, visando a demonstração de um laser gigahertzfemtossegundo em um único chip de vidro. As atividades derivadas foram apoiadas pelos programas Bridge Proof-of-Concept e Ignition da EPFL.
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