IPEN obtém laser com eficiência inédita

Com informações da Agência Fapesp - 03/08/2015

O cristal é bombeado com luz pelo diodo. Uma lente colima a radiação do diodo e a direciona para o exato local onde as duas linhas do feixe sofrem reflexão interna total na superfície polida do cristal, causando a amplificação do feixe. O ressonador, delimitado pelos três espelhos, faz a contenção do feixe. Apenas um dos espelhos, semitransparente, permite que uma fração da potência contida escape, gerando o feixe útil.
[Imagem: Niklaus Ursus Wetter]

Nd:YLF

Um desenho inovador possibilitou aos físicos Niklaus Wetter (IPEN - Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) e Alessandro Deana (Universidade Nove de Julho) obterem um laser com 60% de eficiência.

Esta é a maior eficiência já registrada no mundo para equipamentos do gênero.

O resultado foi obtido apenas reconfigurando a geometria de um laser de Nd:YLF (fluoreto de ítrio e lítio dopado com neodímio), sem acrescentar componentes caros e complexos ao equipamento original.

O resultado é um laser muito compacto, robusto e leve, adequado para aplicações em satélites e outros dispositivos móveis, como aqueles que empregam a tecnologia lidar (light detection and ranging), uma espécie de radar de luz.

"A eficiência que obtivemos, de 60%, foi a melhor já reportada para esse tipo de cristal. Significa que mais da metade da potência utilizada para fazer o equipamento funcionar se converte em luz laser, produzindo um feixe de altíssima qualidade", disse Wetter.

Lasers antigos

O pesquisador lembra que os lasers antigos, utilizados até o início dos anos 1990, eram equipamentos de grande porte e baixíssima eficiência. No caso dos lasers a gás, que emitiam na faixa da luz visível, menos de 1% da energia recebida era convertida em feixe laser, sendo mais de 99% transformados em calor.

"Isso exigia sistemas de refrigeração enormes e edificações anexas ao prédio onde estava o equipamento para acomodar o sistema de refrigeração. Para gerar 10 watts de luz era necessário remover milhares de watts de calor," disse Wetter.

Muitas melhorias foram feitas ao longo dos anos e os lasers de estado sólido dopados com neodímio tornaram-se as melhores opções quando o objetivo era conciliar alta potência com alta qualidade, mas a eficiência não passava de 10%. A eficiência melhorou muito, chegando a 50%, com o advento do laser de diodo de alta potência. A tradicional lâmpada de bombeamento, que era ineficiente, saiu de cena e foi trocada pelo diodo.

Eficiência de conversão da potência recebida é a maior já registrada para equipamentos do gênero e foi conseguida sem acréscimo de componentes caros ou de procedimentos complexos.
[Imagem: Ipen]

Cirurgia no laser

"A intensidade do feixe laser obedece radialmente a uma distribuição gaussiana. Isto é, a maior intensidade está na linha central, e seu valor decai do centro para a periferia do feixe. O que fizemos foi potencializar esse cerne mais intenso do feixe por meio de uma reconfiguração geométrica", disse Wetter.

A novidade introduzida foi fazer o polimento do cristal não apenas nas faces de entrada e saída do feixe, mas também em uma das laterais e direcionar o feixe para a superfície lateral polida, onde ele sofre reflexão interna total. Com essa reflexão, o cerne do feixe é exposto e então recebe o bombeamento pelo diodo.

"É como se abríssemos o feixe de laser com um bisturi e entregássemos nosso aporte de energia exatamente no meio, onde a intensidade é máxima", comparou o pesquisador.

Embora esse artifício propicie a alta eficiência do laser como um todo, ele não garante a qualidade do feixe. Para obter um feixe de excelente qualidade, a dupla recorreu a um procedimento adicional, que foi fazer o feixe incidir uma segunda vez na superfície de bombeamento, a uma distância muito bem calculada da incidência inicial. A vizinhança das duas linhas impede que o feixe laser se alargue, perdendo qualidade.

Prático e útil

O pesquisador ressaltou que a reconfiguração que fez teve em vista o mercado brasileiro, evitando a dependência de insumos caros, sistemas complexos de bombeamento ou cuidados especiais com o isolamento térmico em relação ao ambiente.

"Nosso equipamento é um laser pequeno e robusto, que pode ser operado em qualquer lugar, sem a necessidade de um ambiente com controle de temperatura ou vácuo. Existem até lasers mais eficientes, mas estes exigem materiais especiais, muito caros. O melhor da atualidade, um laser de itérbio, alcança em torno de 80% de eficiência, porém precisa ser refrigerado à temperatura de 78 Kelvin (menos 195 graus Celsius, aproximadamente), que, obviamente, não é uma coisa prática," disse Wetter.

Em vez de funcionar continuamente, o equipamento emite pulsos curtos muito intensos, de 7 a 8 nanossegundos de duração e mais de 1 milijoule de energia, em intervalos de 1 milissegundo. "A alta intensidade possibilita uma série de efeitos, como, por exemplo, a geração de segundo harmônico. Isso faz com que o laser, que normalmente opera no infravermelho próximo, passe a operar também na faixa da luz visível, na cor verde."

Uma das utilizações do laser verde é a remoção de tatuagens em dermatologia. Mas os usos são muitos e diversificados: desde a pesquisa ambiental, com a emissão de pulsos na atmosfera e o recolhimento da luz espalhada para o rastreamento de poluentes, à gravação de peças na indústria.

A técnica lidar, por exemplo, já vem sendo usada para estudar as mudanças climáticas e medir os níveis de poluição da indústria.

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