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Várias aplicações de fontes de laser pulsado dependem da capacidade de produzir uma série de pares de pulsos com um atraso crescente entre eles. A implementação de tal varredura de atraso óptico com alta precisão é exigente, especialmente para atrasos longos. Enfrentando esse desafio, os físicos da ETH desenvolveram um laser ‘comb duplo’ versátil que combina uma ampla faixa de varredura com alta potência, baixo ruído, operação estável e facilidade de uso – oferecendo perspectivas brilhantes para usos práticos.
A tecnologia de laser ultrarrápido possibilitou uma variedade de métodos para medições de precisão. Estes incluem, em particular, uma ampla classe de experimentos de laser pulsado em que uma amostra é excitada e, após um período de tempo variável, a resposta é medida. Em tais estudos, o atraso entre os dois pulsos deve normalmente cobrir a faixa de femtossegundos a nanossegundos. Na prática, escanear o tempo de atraso em uma faixa tão ampla de maneira repetível e precisa é um desafio significativo. Uma equipe de pesquisadores do grupo da Prof. Ursula Keller no Departamento de Física da ETH Zurique, com contribuições principais do Dr. Justinas Pupeikis, Dr. Benjamin Willenberg e Dr. Christopher Phillips, deu agora um grande passo em direção a uma solução que tem o potencial de ser um divisor de águas para uma ampla gama de aplicações práticas. Escrevendo em Ópticaeles introduziram e demonstraram recentemente um design de laser versátil que oferece especificações excelentes e uma configuração de baixa complexidade que funciona de forma estável por muitas horas.
O longo caminho para longos atrasos
A solução conceitualmente mais simples para escanear atrasos ópticos é baseada em um laser cuja saída é dividida em dois pulsos. Enquanto um deles toma uma rota fixa para o alvo, o caminho óptico para o segundo pulso é variado com espelhos de deslocamento linear. Quanto mais longo for o caminho entre os espelhos, mais tarde o pulso de laser chegará ao alvo e maior será o atraso em relação ao primeiro pulso. O problema, no entanto, é que a luz viaja a uma velocidade famosa, cobrindo cerca de 0,3 metros por nanossegundo (no ar). Para linhas de atraso mecânico, isso significa que a varredura para atrasos de vários nanossegundos requer grandes dispositivos com construções mecânicas intrincadas e tipicamente lentas.
Uma maneira elegante de evitar construções complexas desse tipo é usar um par de lasers de pulso ultracurto que emitem trens de pulsos, cada um com taxas de repetição ligeiramente diferentes. Se, digamos, os primeiros pulsos que emergem de cada um dos lasers estiverem perfeitamente sincronizados, o segundo par terá um atraso entre os pulsos que corresponde à diferença nos tempos de repetição dos dois lasers. O próximo par de pulsos tem o dobro desse atraso entre eles e assim por diante. Desta forma, é possível uma varredura perfeitamente linear e rápida de atrasos ópticos sem partes móveis – pelo menos em teoria. O tipo mais refinado de um sistema de laser que gera dois trens de pulso é conhecido como pente duplo, em referência à estrutura espectral da saída que consiste em um par de pentes de frequência óptica.
Embora a promessa da abordagem de pente duplo seja clara há muito tempo, o progresso em direção às aplicações foi prejudicado por desafios relacionados ao projeto de um sistema de laser prontamente implantável que fornece dois pentes de operação simultânea da qualidade necessária e com alta estabilidade relativa. Agora, Pupeikis et ai. fez um avanço em direção a um laser tão prático, e a chave é uma nova maneira de gerar os dois pentes de frequência em uma mesma cavidade do laser.
Dois de um
A tarefa que os pesquisadores tinham em mãos era construir uma fonte de laser que consistisse em dois trens de pulsos ópticos coerentes que são basicamente idênticos em todas as propriedades, exceto pela importante diferença na taxa de repetição. Um caminho natural para conseguir isso é criar os dois pentes na mesma cavidade do laser. Várias abordagens para realizar tal multiplexação de cavidade de laser foram introduzidas no passado. Mas estes normalmente requerem que componentes adicionais sejam colocados dentro da cavidade. Isso introduz perdas e diferentes características de dispersão para os dois pentes, entre outros problemas. Os físicos da ETH superaram esses problemas enquanto ainda garantem que os dois pentes compartilhem todos os componentes dentro da cavidade.
Eles conseguiram isso inserindo na cavidade um ‘biprisma’, um dispositivo com dois ângulos separados na superfície a partir do qual a luz é refletida. O biprisma divide o modo de cavidade em duas partes, e os pesquisadores mostram que, pelo design adequado da cavidade óptica, os dois pentes podem ser separados espacialmente nos componentes ativos da intracavidade, enquanto ainda seguem um caminho muito semelhante. ‘Componentes ativos’ refere-se aqui ao meio de ganho, onde o laser é induzido, e ao elemento chamado SESAM (semiconductor saturable absorber mirror), que permite o bloqueio de modo e geração de pulso. A separação espacial dos modos nessas etapas significa que dois pentes com espaçamentos distintos podem ser gerados, enquanto a maioria das outras propriedades são essencialmente duplicadas. Em particular, os dois pentes têm ruído de tempo altamente correlacionado. Ou seja, embora imperfeições na estrutura temporal do favo estejam inevitavelmente presentes, elas são quase as mesmas para os dois favos, tornando possível lidar com tal ruído.
Uma porta para aplicações práticas
Uma característica notável da nova arquitetura de cavidade única agora introduzida é que ela não exige concessões no projeto do laser. Em vez disso, arquiteturas de cavidade que são ideais para operação de pente único podem ser prontamente adaptadas para uso de pente duplo. Com isso, o novo design também representa uma grande simplificação em relação aos produtos comerciais e abre caminho para a produção e implantação dessa nova classe de fontes de laser ultrarrápidas.
Os benchmarks alcançados nas primeiras demonstrações são altamente encorajadores. Os pesquisadores escanearam um atraso óptico de 12,5 ns (equivalente a uma distância de 3,75 m no ar) com precisão de 2 fs (que é inferior a um micrômetro de distância física) a taxas de até 500 Hz e com estabilidade recorde para um laser de pente duplo de cavidade única. O desempenho obtido – incluindo a alta potência de mais de 2,4 W para cada pente, as durações de pulso curtas de menos de 140 fs e o acoplamento demonstrado a um oscilador paramétrico óptico (OPO) para converter a luz em um regime de comprimento de onda diferente – – sublinhar o potencial prático da abordagem para um amplo espectro de medições, desde o alcance óptico de precisão (a medição óptica da distância absoluta) até a espectroscopia de absorção de alta resolução e a espectroscopia não linear para amostragem de fenômenos ultrarrápidos.
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