Laser ultrarrápido em chip da EPFL entrega pulsos de nanojoule

Lasers em chip existem há anos, mas quem faz ciência de precisão quase sempre os deixava de lado. Os pulsos que saíam desses dispositivos eram fracos demais para as tarefas mais exigentes - por uma margem tão grande que a distância começou a parecer impossível de vencer.

Agora, uma equipa numa universidade suíça conseguiu superar essa barreira. O chip que eles construíram dispara pulsos com força suficiente para realizar algo que nenhum laser em chip tinha conseguido até aqui, recorrendo a um conceito importado de uma classe de máquina totalmente diferente.

Lasers que ocupam salas inteiras

Os clarões produzidos por esses equipamentos são absurdamente curtos, durando quadrilionésimos de segundo. Essa velocidade permite “congelar” reações químicas a meio passo e medir o tempo com uma precisão impressionante. Ferramentas desse tipo - os chamados lasers ultrarrápidos - vêm transformando a ciência há décadas.

Há anos, investigadores tentam levar essa capacidade para chips fotónicos, circuitos miniaturizados que conduzem luz em vez de eletricidade.

O novo trabalho saiu do laboratório de Tobias J. Kippenberg, físico da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, com Zheru Qiu como primeiro autor.

Vários grupos já tinham colocado lasers geradores de pulsos em chips, mas os pulsos resultavam fracos. Um recurso muito valorizado - alargar uma única cor até virar um arco-íris amplo - exige um “soco” energético que chips fracos não conseguiam entregar.

Em comparação com os lasers de fibra usados em laboratórios, os projetos anteriores em chip ficavam muito atrás. Um estudo bastante acompanhado chegou a obter pulsos limpos, mas manteve-se bem abaixo do nível de energia necessário para aplicações pesadas. Foi para fechar essa diferença que esta equipa trabalhou.

Um truque vindo da fibra

A solução adotada baseia-se num desenho criado originalmente para lasers de fibra: o oscilador Mamyshev, batizado em homenagem ao engenheiro por trás da ideia central. O princípio é fazer a luz circular por dois filtros ajustados para cores (comprimentos de onda) ligeiramente diferentes. Só um pulso limpo e intenso consegue sobreviver à volta completa.

A cada passagem, sinais fracos e irregulares são “lapidados” até virar um único clarão potente. Quando o circuito opera em laço contínuo, o laser começa a pulsar por conta própria, 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. Esse guia de onda foi dopado com iões de érbio, o elemento amplificador usado em larga escala na internet por fibra ótica. Incorporados no guia, esses iões forneceram a capacidade de amplificação do laser.

O que o chip entrega

O ganho aparece diretamente nos números. O chip emite cerca de 176 milhões de pulsos por segundo, e cada pulso carrega aproximadamente um bilionésimo de joule - um nanojoule. Isso o coloca no nível de lasers de fibra volumosos e representa cerca de 100 vezes mais do que lasers em chip anteriores.

Até este trabalho, nenhum laser baseado em chip tinha levado a energia por pulso para tão perto desse patamar. Além disso, os pulsos podem ser comprimidos para 147 femtossegundos - sendo um femtossegundo a milionésima parte de um bilionésimo de segundo. Pulsos mais curtos, em geral, concentram a energia num pico mais intenso.

A luz também manteve elevada ordem: ondas em fase, sem se desalinhar - a consistência que um laser de precisão exige. Um feixe ruidoso embaralharia os sinais que esses instrumentos precisam de ler.

Um feixe vira muitos

Com tanta energia por pulso, o laser conseguiu finalmente gerar o próprio “arco-íris”. Ao atravessar um canal fino de guia de luz no mesmo chip, o feixe estreito espalhou-se e virou uma banda ampla chamada supercontínuo. Com mais de uma oitava de largura, as frequências mais altas ficam acima do dobro das mais baixas.

O destaque é que o chip não precisou de reforço externo. Em outros sistemas, só se chega a um supercontínuo depois de encaminhar a luz por amplificadores adicionais na bancada. Aqui, a saída bruta já tinha potência suficiente.

Luz de banda larga como essa sustenta réguas de tempo e frequência de alta precisão e técnicas de imagem capazes de ver dentro de tecido vivo. Produzi-la diretamente num chip, sem nada acoplado depois, é o salto que os dispositivos anteriores não conseguiam dar.

Enxergando com terahertz

Para demonstrar o valor prático, a equipa integrou o chip a um scanner de terahertz. Ondas de terahertz ficam entre micro-ondas e infravermelho, atravessando papel e plástico enquanto refletem no que está por baixo. Uma revisão descreve como o método pode ler a composição química.

Com o chip a conduzir o sistema, o scanner cobriu 5 terahertz de frequências e extraiu sinais ao longo de uma faixa de um bilhão de vezes em intensidade. Esses resultados competem com montagens muito maiores. Um chip, em vez de um conjunto inteiro de equipamentos.

O grupo usou o sistema para verificar amostras seladas sem abri-las e para identificar defeitos escondidos. Scanners com esse tipo de capacidade costumam ser pesados e ficam restritos a laboratórios especializados. Uma versão acionada por chip poderia acompanhar uma linha de produção ou ir num carrinho hospitalar.

Para fora do laboratório

O que este estudo deixa claro é simples: um laser em chip já consegue entregar pulsos suficientemente fortes para acionar as manipulações de luz mais exigentes que antes dependiam de máquinas de bancada. Nenhum dispositivo integrado anterior tinha alcançado esse nível.

Isso abre caminho para instrumentos que deixam a bancada para trás. Sensores químicos portáteis e scanners prontos para campo tornam-se realistas quando a fonte de luz encolhe até caber num chip. O esforço para levar outros lasers clássicos de laboratório para wafers avança na mesma direção, como mostra um artigo recente.

A versão apresentada aqui ainda funciona em ambiente de laboratório e depende de uma bomba separada. Mas o obstáculo mais difícil foi removido: obter energia suficiente num pulso em escala de chip, a barreira que travava a área. O laser ultrarrápido do tamanho de uma sala ganhou um rival do tamanho de uma unha.