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Parente pouco conhecido do laser prestes a sair dos laboratórios

Parente pouco conhecido do laser prestes a sair dos laboratórios
A equipe já havia usado o delicado oscilador paramétrico tradicional para criar um novo tipo de computador, chamado Máquina Ising - agora o aparato todo poderá caber na palma da mão. [Imagem: L.A. Cicero/Stanford]

Alternativa ao laser

Um tipo alternativo de luz pode custar menos e ser mais eficiente do que os raios laser em aplicações muito especiais.

Usados nas mais variadas aplicações, como corte e soldagem, cirurgia e transmissão de bits através de fibras ópticas, ainda assim os lasers têm algumas limitações, entre elas a de que apenas produzem luz em intervalos de comprimento de onda limitados.

Já os chamados osciladores ópticos paramétricos, tipos especiais de amplificadores de luz, têm uma emissão muito mais ampla, mas são grandes, caros, exigem um tedioso trabalho de alinhamento toda vez que são usados e não são muito eficientes.

Marc Jankowski, da Universidade de Stanford, superou esses inconvenientes desenvolvendo uma técnica nova para obter o mesmo resultado.

Oscilador óptico paramétrico

Em um oscilador óptico paramétrico, pulsos de um laser tradicional são passados através de um cristal especial e convertidos em uma faixa de comprimento de onda que é difícil de se gerar com os lasers convencionais. Então, uma série de espelhos refletem os pulsos de luz continuamente, formando um circuito de realimentação. Quando esse loop é sincronizado com os pulsos de laser de entrada, os pulsos recém-convertidos se combinam para formar uma saída cada vez mais forte.

O que Jankowski e seus colegas fizeram foi aumentar radicalmente a eficiência com que os fótons do laser de entrada são aproveitados para gerar a saída. E, curiosamente, eles conseguiram isto não melhorando os espelhos, mas reduzindo sua reflexividade.

Ao tornar os espelhos menos reflexivos e alongar o circuito de realimentação, o tempo que leva para que os pulsos de luz completem o loop aumentou, o que equivale a uma diminuição da sua velocidade. E esse tempo de retardo, combinado com a menor reflexividade dos espelhos, fez com que os pulsos interagissem de maneiras inesperadas, o que os põe de volta em sincronia com seus parceiros que estão entrando no circuito.

Essa sincronização inesperada mais do que dobrou a largura de banda da saída, o que significa que ela pode emitir um intervalo mais largo de comprimentos de onda que é difícil de gerar com lasers convencionais, e sem exigir os precisos alinhamentos do equipamento tradicional.

Parente pouco conhecido do laser prestes a sair dos laboratórios
Esquema da nova técnica de geração de luz amplificada. [Imagem: Marc Jankowski et al. - 10.1103/PhysRevLett.120.053904]

Usos práticos dos osciladores paramétricos

Para aplicações práticas, como a detecção de moléculas no ar ou na respiração de uma pessoa, fontes de luz com maior largura de banda podem identificar moléculas com mais precisão. Em princípio, os pulsos que o novo sistema produz podem ser comprimidos em até 18 femtossegundos, o que pode ser usado para estudar o comportamento das moléculas.

Antes desta otimização radical, esse parente do laser já foi usado para demonstrar técnicas inovadoras de computação, sistemas de múltiplos qubits para computação quântica e amplificadores para reforçar os sinais captados por telescópios - todas essas aplicações têm a ganhar com a simplificação da técnica.

"Você conversa com pessoas que trabalharam com esta tecnologia nos últimos 50 anos e elas são muito céticas quanto às suas aplicações na vida real porque pensam nesses ressonadores como arranjos delicados difíceis de alinhar e que requerem muita manutenção," comentou o pesquisador Alireza Marandi. "Mas, neste regime de operação, esses requisitos são super relaxados e a fonte é super confiável e não precisa do cuidado extensivo exigido pelos sistemas padrão."

A equipe agora pretende colocar o sistema todo em um dispositivo que caiba na palma da mão.

Bibliografia:

Temporal Simultons in Optical Parametric Oscillators
Marc Jankowski, Alireza Marandi, C. R. Phillips, Ryan Hamerly, Kirk A. Ingold, Robert L. Byer, and M. M. Fejer
Physical Review Letters
Vol.: 120, 053904
DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.053904




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