Laser em chip da EPFL atinge pulsos ultrarrápidos com energia recorde

Os lasers baseados em chips existem há anos, mas os físicos que trabalham em ciência de precisão quase sempre os deixaram de lado. A razão era simples: os pulsos que conseguiam gerar eram demasiado fracos para as aplicações que realmente importam - por uma margem tão grande que a diferença começou a parecer inultrapassável.

Agora, uma equipa de uma universidade suíça conseguiu finalmente ultrapassar esse obstáculo. O chip que desenvolveram emite pulsos com energia suficiente para fazer algo que nenhum laser em chip tinha conseguido até aqui, graças a um conceito importado de um tipo de laser totalmente diferente.

Lasers que enchem salas

Os clarões produzidos por estas máquinas são quase impossíveis de imaginar de tão curtos: duram quadrilionésimos de segundo. Essa velocidade permite “congelar” reacções químicas a meio de um passo e medir o tempo com uma precisão impressionante. Ferramentas deste tipo, conhecidas como lasers ultrarrápidos, têm vindo a transformar a ciência há décadas.

Há muito que os investigadores querem trazer essa capacidade para chips fotónicos - circuitos miniaturizados que conduzem luz em vez de electricidade.

Este avanço saiu do laboratório de Tobias J. Kippenberg, físico na Escola Politécnica Federal de Lausana (EPFL), com Zheru Qiu como primeiro autor.

Vários grupos já tinham conseguido integrar lasers geradores de pulsos em chips, mas os pulsos eram ténues. Uma das técnicas mais valorizadas - alargar uma cor única até se tornar um arco-íris amplo - exige uma “pancada” de energia que estes chips fracos não conseguiam fornecer.

Os primeiros projectos em chip ficavam muito atrás dos lasers de fibra usados nos laboratórios. Um estudo bastante acompanhado chegou a produzir pulsos limpos, mas continuou demasiado fraco para trabalho exigente. Foi esse fosso que esta equipa decidiu fechar.

Um truque vindo da fibra

A solução assenta num desenho criado originalmente para lasers de fibra: o oscilador de Mamyshev, baptizado com o nome do engenheiro por trás da ideia central. O esquema faz a luz atravessar dois filtros ajustados para cores (comprimentos de onda) ligeiramente diferentes. No percurso de ida e volta, apenas um pulso limpo e intenso consegue sobreviver.

A cada passagem, sinais fracos e irregulares vão sendo “apurados” até se transformarem num único clarão potente. Quando o ciclo é mantido continuamente, o laser começa a pulsar por si próprio, sem precisar de um laser semente separado para iniciar o processo.

Para dar força aos pulsos, a equipa construiu o circuito em nitreto de silício, um material vítreo que guia a luz com baixas perdas. E incorporou iões de érbio, o elemento amplificador de luz usado em larga escala nas redes de fibra óptica. Integrados no guia de onda, esses iões forneceram a capacidade de amplificação do laser.

O que o laser em chip entrega

Os ganhos ficam claros nos números. O chip dispara cerca de 176 milhões de pulsos por segundo, e cada pulso transporta aproximadamente um bilionésimo de joule - um nanojoule. Isso coloca-o ao nível de lasers de fibra volumosos e cerca de 100 vezes acima de lasers em chip anteriores.

Até este trabalho, nenhum laser baseado em chip tinha aproximado a energia por pulso desse patamar. Os pulsos podem ser comprimidos até 147 femtossegundos, sendo um femtossegundo um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Pulsos mais curtos tendem a concentrar a energia num pico mais intenso.

A luz manteve-se também estável e coerente: ondas a avançar “em fase”, sem se desfasarem. Esse tipo de consistência é essencial num laser de precisão. Um feixe ruidoso desfocaria os sinais que estes instrumentos precisam de ler.

De um feixe a muitos

Com esta potência por pulso, o laser conseguiu finalmente gerar o “arco-íris” desejado. Ao atravessar um canal fino de guiamento de luz no mesmo chip, o feixe estreito abriu-se numa banda muito larga conhecida como supercontínuo. Com mais de uma oitava de largura, as frequências mais altas ultrapassam o dobro das mais baixas.

O aspecto mais marcante é que o chip não precisou de reforço adicional. Noutros sistemas, só se obtém um supercontínuo depois de encaminhar a luz por amplificadores extra montados na bancada. Aqui, a saída directa já era suficientemente forte.

Luz de banda larga como esta é a base de réguas de tempo e frequência de alta precisão e de técnicas de imagiologia capazes de ver no interior de tecido vivo. Conseguir produzi-la directamente num chip, sem módulos acrescentados a seguir, é exactamente o salto que os dispositivos anteriores não conseguiam dar.

Ver com terahertz

Para mostrar o que isso permite, a equipa ligou o chip a um scanner de terahertz. As ondas de terahertz situam-se entre as micro-ondas e o infravermelho: atravessam papel e plástico, mas reflectem no que está por baixo. Uma revisão descreve como o método consegue inferir a composição química.

Com o chip a servir de fonte, o scanner cobriu 5 terahertz de frequências e recuperou sinais ao longo de uma gama de intensidades de mil milhões para um. Estes valores competem com montagens muito maiores. Um chip, em vez de um bastidor cheio de equipamento.

A equipa usou o sistema para verificar amostras seladas sem as abrir e para detectar defeitos ocultos. Scanners com estas capacidades costumam ser pesados e ficam confinados a laboratórios especializados. Um modelo alimentado por chip poderia integrar uma linha de produção ou acompanhar um carrinho de visita médica.

Para lá do laboratório

O que este estudo demonstra é directo: um laser construído num chip já consegue fornecer pulsos com energia suficiente para executar “truques” ópticos exigentes que antes dependiam de máquinas de bancada. Nenhum dispositivo integrado anterior tinha atingido esse nível.

Isso abre caminho a instrumentos que deixam a bancada do laboratório. Sensores químicos portáteis e scanners prontos para trabalho no terreno tornam-se plausíveis quando a fonte de luz encolhe até ao tamanho de um chip. O esforço para colocar outros lasers clássicos de laboratório em wafers está a avançar no mesmo sentido, como mostra um artigo recente.

A versão apresentada aqui continua a operar em ambiente laboratorial e depende de uma bombagem separada. Mas o problema difícil ficou resolvido: extrair energia suficiente de um pulso em escala de chip, a barreira que travou este campo. O laser ultrarrápido que enchia uma sala tem agora um rival do tamanho de uma unha.