Novo espelho para óptica de alto desempenho reflete 99,9% da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/03/2007

A camada de alto índice de refração contém sulcos espaçados entre si por uma distância que é menor do que o comprimento de onda da luz.
[Imagem: Michael Huang/UC Berkeley]

Espelhos qualidade laser

O espelho que você tem em casa reflete cerca de 85% da luz que incide sobre ele. E isto é o suficiente para que você se veja com perfeição. Mas uma taxa de reflexão destas está muito longe do aceitável quando o assunto é a óptica dos raios laser, como aquela utilizada nos aparelhos de DVD, nas impressoras a laser e na transmissão de dados por fibras ópticas.

Nestas aplicações de alta tecnologia e grande miniaturização, exige-se uma reflexão de nada menos do que 99,9%. Hoje isto é conseguido por meio de espelhos DBR ("Distributed Bragg Reflectors"), que têm o inconveniente de serem muito grossos e serem difíceis de se fabricar (veja parte inferior da foto).

Agora, cientistas da Universidade de Berkeley, Estados Unidos, criaram um novo espelho capaz de refletir 99,9% da luz mas com uma espessura 20 vezes menor. Além disso, ele funciona para uma faixa muito mais ampla do espectro eletromagnético, refletindo de luzes de vários comprimentos de onda. E é muito mais fácil de se fabricar.

Espelhos e reflexão Bragg

Os espelhos Bragg (ou DBR), também conhecidos como redes de Bragg, são construídos com camada alternadas de arseneto de gálio-alumínio (Ga-Al-As), que possui um índice de refração de 3, e arseneto de gálio (Ga-As), que possui um índice de refração de 3,6. A diferença nos índices de refração permite que uma pequena quantidade de luz seja refletida em cada uma das camadas sucessivas. A luz das múltiplas camadas alternadas se junta para formar um forte feixe coerente de luz refletida.

"Os DBRs podem refletir 99,9 por cento da luz, mas são necessárias até 80 camadas de material para se alcançar essa refletividade," explica o pesquisador Michael Huang. Isso resulta em um espelho com cerca de 5 micrômetros de espessura, grosso demais para a maioria das aplicações na área de fotônica e telecomunicações.

Espelho ultra-fino

"Os lasers semicondutores de hoje exigem espelhos que possam oferecer alta refletividade, mas sem a espessura extra," diz o coordenador da pesquisa Connie J. Chang-Hasnain. A redução na massa do espelho pode resultar, no mínimo, em um menor consumo de energia, graças à redução da massa do dispositivo.

O novo espelho foi batizado de HCG ("High-index Contrast sub-wavelength Grating"), ou rede de sub-comprimentos de onda de alto índice de contraste. Em vez de múltiplas camadas alternadas de materiais com índices de refração alternados, o espelho HCG possui apenas uma camada de arseneto de gálio-alumínio, atuando em conjunto com uma camada de... ar, que tem um índice de refração de 1.

A camada de alto índice de refração contém sulcos espaçados entre si por uma distância que é menor do que o comprimento de onda da luz. Nesta configuração, a luz que atinge a superfície do espelho é direcionada por cima dos sulcos. À medida que as ondas de luz passam sobre cada interface ar-semicondutor, elas são fortemente refletidas na direção oposta.

Os pesquisadores ainda descobriram que a camada de ar pode ser substituída por uma camada de dióxido de silício, que tem um índice de refração de 1,5.

Raios Laser

Espera-se que o novo espelho permita um avanço significativo na área dos lasers VCSEL ("Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers"), utilizados em comunicações ópticas de curto alcance, mouses para computadores e várias outras aplicações que exigem baixo consumo de energia. Os lasers VCSEL trabalham com um meio de ganho relativamente pequeno, o que torna necessário espelhos de alta refletividade.

Mas a aplicação imediata deverá ser nos equipamentos de leitura óptica de alta definição, como os DVDs de alta definição baseados em lasers azul-violeta, que trabalham com um comprimento de onda menor do que os lasers vermelhos tradicionais.

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