Laser em chip da EPFL com oscilador de Mamyshev atinge pulsos de nanojoule

Os lasers em chip existem há anos, mas quem trabalha em ciência de precisão acabou por os deixar de lado. A energia dos pulsos era insuficiente para as aplicações que realmente importam - por uma margem tão grande que a diferença parecia impossível de eliminar.

Agora, uma equipa numa universidade suíça conseguiu ultrapassar esse obstáculo. O chip que desenvolveram emite pulsos com potência suficiente para alcançar um feito inédito em lasers integrados, recorrendo a uma arquitectura inspirada numa classe de sistemas completamente diferente.

Lasers que enchem salas

Os clarões gerados por estas máquinas são quase inconcebivelmente curtos, com durações na ordem dos quatrilionésimos de segundo. Essa rapidez permite “congelar” reacções químicas a meio de um passo e medir o tempo com uma precisão impressionante. Estes instrumentos, conhecidos como lasers ultrarrápidos, vêm a transformar a ciência há décadas.

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

O trabalho agora apresentado vem do laboratório de Tobias J. Kippenberg, físico na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), com Zheru Qiu como primeiro autor.

Já existiam várias equipas a colocar lasers geradores de pulsos em chips, mas o resultado saía fraco. Um dos truques mais valiosos - transformar uma única cor num arco-íris largo - exige um “soco” energético que os chips anteriores não conseguiam fornecer.

Durante anos, as soluções integradas ficaram muito atrás dos lasers de fibra usados nos laboratórios. Um estudo muito acompanhado chegou a produzir pulsos limpos, mas continuou demasiado limitado em energia para trabalhos exigentes. Foi precisamente para fechar essa distância que esta equipa trabalhou.

Um truque das fibras: o oscilador de Mamyshev

A resposta passa por um desenho que nasceu no contexto dos lasers de fibra: o oscilador de Mamyshev, baptizado em homenagem ao engenheiro associado à sua ideia central. O princípio é fazer a luz circular através de dois filtros ajustados para cores (comprimentos de onda) ligeiramente diferentes. No fim do percurso, só um pulso limpo e intenso consegue sobreviver.

A cada volta, sinais fracos e irregulares são “polidos” até se tornarem um único clarão poderoso. Em funcionamento contínuo, o laço entra em regime de pulsação por si só, sem precisar de um laser semente separado para arrancar.

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

O que o chip entrega

Os ganhos aparecem de forma directa nos números. O chip dispara cerca de 176 milhões de pulsos por segundo, com cada pulso a transportar aproximadamente um bilionésimo de joule - um nanojoule. Este valor fica ao nível de lasers de fibra volumosos e representa cerca de 100 vezes mais do que lasers em chip anteriores.

Antes deste resultado, nenhum laser baseado em chip tinha aproximado a energia por pulso de valores tão elevados. Além disso, os pulsos podem ser comprimidos até 147 femtossegundos (um femtossegundo é um milionésimo de um bilionésimo de segundo). Em geral, pulsos mais curtos concentram a energia num pico mais intenso.

A luz manteve-se também estável e coerente: as ondas seguem em fase, sem se desalinhar - exactamente o tipo de consistência de que um laser de precisão necessita. Um feixe ruidoso borraria os sinais que estes instrumentos têm de ler.

Um feixe torna-se muitos

Com essa energia por pulso, o laser conseguiu finalmente gerar o próprio “arco-íris”. Ao ser enviado através de um canal fino que guia a luz no mesmo chip, o feixe estreito abriu-se num amplo espectro, formando um supercontínuo. Com mais de uma oitava de largura, as frequências mais altas ficam com mais do dobro das mais baixas.

O que se destacou foi a ausência de reforço externo. Em muitos sistemas, o supercontínuo só é atingido depois de a luz passar por amplificadores adicionais montados na bancada. Aqui, a saída directa já era suficientemente forte.

Luz de banda larga como esta suporta réguas extremamente precisas de tempo e frequência e técnicas de imagem capazes de ver dentro de tecido vivo. Produzi-la directamente num chip, sem nada acrescentado a jusante, é o salto que os dispositivos anteriores não conseguiam dar.

Ver com terahertz

Para demonstrar o valor prático do avanço, a equipa ligou o chip a um scanner terahertz. As ondas terahertz situam-se entre as micro-ondas e o infravermelho, atravessando papel e plástico e reflectindo no que está por baixo. Um artigo de revisão descreve como a técnica permite ler a composição química.

Impulsionado pelo chip, o scanner cobriu 5 terahertz de frequências e extraiu sinais ao longo de um intervalo de intensidades que varia por um factor de mil milhões. Esses valores competem com configurações muito maiores. Um chip, em vez de um armário de equipamento.

A equipa usou o sistema para verificar amostras seladas sem as abrir e para identificar defeitos ocultos. Equipamentos deste tipo costumam ser pesados e ficar restritos a laboratórios especializados. Uma versão alimentada por chip poderia integrar uma linha de produção ou acompanhar um carrinho hospitalar.

Para lá do laboratório

O que este estudo deixa estabelecido é simples: um laser construído num chip consegue agora fornecer pulsos fortes o suficiente para alimentar os truques ópticos exigentes que, até aqui, dependiam de máquinas de bancada. Nenhum dispositivo integrado anterior tinha atingido esse patamar.

Com isso, abre-se a possibilidade de instrumentos que saem da bancada do laboratório. Sensores químicos portáteis e scanners prontos para o terreno tornam-se mais realistas quando a fonte de luz encolhe para um chip. Em paralelo, o esforço para levar outros lasers clássicos de laboratório para bolachas semicondutoras segue na mesma direcção, como mostra um artigo recente.

A versão demonstrada ainda funciona em ambiente de laboratório e depende de uma bomba separada. Mas o obstáculo central foi ultrapassado: obter energia suficiente num pulso à escala de chip, a barreira que travava a área. O laser ultrarrápido que ocupava uma sala passa a ter um rival do tamanho de uma unha.