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Os lasers pulsados de femtossegundos – que emitem luz em rajadas ultrarrápidas com duração de um milionésimo de bilionésimo de segundo – são ferramentas poderosas usadas em uma variedade de aplicações, desde medicina e manufatura até detecção e medições precisas de espaço e tempo. Hoje, esses lasers são tipicamente sistemas caros de mesa, o que limita seu uso em aplicações com restrições de tamanho e consumo de energia.
Uma fonte de pulso de femtosegundo no chip abriria novas aplicações em computação quântica e óptica, astronomia, comunicações ópticas e muito mais. No entanto, tem sido um desafio integrar lasers pulsados sintonizáveis e altamente eficientes em chips.
Agora, pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) desenvolveram uma fonte de pulso de femtosegundo de alto desempenho usando uma ferramenta que parece saída da ficção científica: uma lente do tempo.
A pesquisa é publicada em Natureza.
“Lasers pulsados que produzem pulsos curtos e de alta intensidade consistindo em muitas cores de luz permaneceram grandes”, disse Marko Lon?ar, o Tiantsai Lin Professor de Engenharia Elétrica na SEAS e autor sênior do estudo. “Para tornar essas fontes mais práticas, decidimos reduzir uma abordagem bem conhecida, usada para obter fontes convencionais – e grandes – de femtossegundos, aproveitando uma plataforma fotônica integrada de última geração que desenvolvemos. É importante ressaltar que nossos chips são feito usando técnicas de microfabricação como as usadas para fazer chips de computador, o que garante não apenas custo e tamanho reduzidos, mas também melhor desempenho e confiabilidade de nossas fontes de femtossegundos.”
As lentes tradicionais, como as lentes de contato ou as encontradas em lupas e microscópios, curvam os raios de luz vindos de diferentes direções, alterando sua fase para que atinjam o mesmo local no espaço – o ponto focal.
As lentes de tempo, por outro lado, “curvam” os feixes de luz de maneira semelhante – mas alteram a fase dos feixes de luz no tempo e não no espaço. Desta forma, diferentes cores de luz, que viajam em diferentes velocidades, são reprogramadas para que cada uma atinja o plano focal ao mesmo tempo.
Imagine uma corrida de carros, na qual cada cor de luz é um carro diferente. Primeiro, a lente do tempo escalona o tempo de saída de cada carro e, em seguida, define sua velocidade para que cheguem à linha de chegada ao mesmo tempo.
Para gerar pulsos de femtossegundos, o dispositivo da equipe usa uma série de guias de ondas ópticas, acopladores, moduladores e grades ópticas na plataforma de niobato de lítio, pioneira no laboratório de Lon?ar.
A equipe começa passando um feixe de laser monocromático de onda contínua por um modulador de amplitude que controla a quantidade de luz que passa pela lente do tempo, uma função semelhante à abertura de uma lente convencional. A luz então se propaga pela parte “dobrada” da lente, um modulador de fase neste caso, onde é gerado um pente de frequência de cores diferentes. Voltando à analogia do carro, o modulador de fase cria e depois libera os carros de cores diferentes em diferentes horários de partida.
Então entra o componente final do laser – uma espinha de peixe ralando ao longo do guia de ondas. A grade altera a velocidade das diferentes cores de luz para alinhá-las, pescoço a pescoço na corrida, para que atinjam a linha de chegada (ou plano focal) ao mesmo tempo
Como o dispositivo controla a velocidade com que os diferentes comprimentos de onda viajam e quando atingem o plano focal, ele efetivamente transforma o feixe de laser contínuo e de cor única em uma fonte de pulso de alta intensidade e banda larga que pode produzir rajadas ultrarrápidas de 520 femtossegundos.
O dispositivo é altamente sintonizável, integrado em um chip de 2 cm por 4 mm e, devido às propriedades eletro-ópticas do niobato de lítio, requer energia significativamente menor do que os produtos de mesa.
“Mostramos que a fotônica integrada oferece melhorias simultâneas no consumo de energia e no tamanho”, disse Mengjie Yu, ex-bolsista de pós-doutorado da SEAS e primeiro autor do estudo. “Não há compensação aqui; você economiza energia ao mesmo tempo em que economiza espaço. Você apenas obtém melhor desempenho à medida que o dispositivo fica menor e mais integrado. Imagine – no futuro, poderemos carregar lasers de pulso de femtosegundo em nossos bolsos para detectar como estão as frutas frescas ou acompanhar nosso bem-estar em tempo real, ou em nossos carros para fazer medições de distância.”
Yu é atualmente professor assistente na University of Southern California.
Em seguida, a equipe pretende explorar algumas das aplicações do próprio laser e da tecnologia de lentes de tempo, inclusive em sistemas de lentes como telescópios, bem como em processamento de sinal ultrarrápido e redes quânticas.
O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard protegeu a propriedade intelectual decorrente das inovações do Loncar Lab em sistemas de niobato de lítio. Loncar é cofundador da HyperLight Corporation, uma startup lançada para comercializar chips fotônicos integrados com base em algumas inovações desenvolvidas em seu laboratório.
A pesquisa foi uma colaboração entre Harvard, HyperLight, Columbia University e Freedom Photonics.
O artigo foi co-escrito por David Barton, Rebecca Cheng, Christian Reimer, Prashanta Kharel, Lingyan He, Linbo Shao, Di Zhu, Yaowen Hu, Hannah R. Grant, Leif Johansson, Yoshitomo Okawachi, Alexander L. Gaeta e Mian Zhang.
Foi apoiado pela Defense Advanced Research Projects Agency (HR0011-20-C-0137), Army Research Office (W911NF2010248), Office of Naval Research (N00014-18-C-1043) e Air Force Office of Scientific Research (FA9550- 19-1-0376 e FA9550-20-1-0297).
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