Pesquisador do Ipen produz laser compacto com alta eficiência


Sábado, 1º de agosto de 2015, às 13h03


José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Um desenho inovador possibilitou ao físico Niklaus Ursus Wetter, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), obter um laser com 60% de eficiência – a maior registrada no mundo para equipamentos do gênero.

O resultado foi alcançado no âmbito do projeto de pesquisa “Desenvolvimento de lasers compactos e de alta eficiência para aplicações em lidar móvel e satélite”, apoiado pela FAPESP , e comunicado no artigo “Influence of pump bandwidth on the efficiency of side-pumped, double-beam mode-controlled lasers: establishing a new record for Nd:YLiF4 lasers using VBG”, publicado na revista Optics Express.

Sem acrescentar componentes caros e complexos ao equipamento original, Wetter conseguiu o resultado apenas reconfigurando a geometria de um laser de Nd:YLF (fluoreto de ítrio e lítio dopado com neodímio).

O resultado foi um laser muito compacto, robusto e leve, como deve ser para aplicações em satélites e outros dispositivos móveis, como aqueles que empregam a tecnologia lidar (light detection and ranging).

 

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. Foto: Ipen

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. Foto: Ipen

 

“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 o pesquisador à Agência FAPESP.

Wetter bacharelou-se em Física no ETHZ, o Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, Suíça, e finalizou seu doutorado no Ipen. Ocupa, desde 2013, o cargo de gerente do Centro de Lasers e Aplicações (CLA) do instituto.

O pesquisador lembrou 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.

“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.

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.

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.”

Como se sabe, 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.

 

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: Ipen

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: Ipen

 

Monocromia, coerência e colimação

O termo “laser” é composto pelas iniciais das palavras inglesas light amplification by stimulated emission of radiation (“amplificação da luz por emissão estimulada de radiação”). Trata-se de um processo que produz radiação eletromagnética monocromática (com somente um comprimento de onda), coerente (com todas as ondas em concordância de fase) e colimada (com os raios praticamente paralelos). Todas as virtudes do laser vêm da combinação dessas três características.

Para isso, um determinado material, chamado de “meio ativo”, é bombeado por uma fonte de energia (por exemplo, uma lâmpada ou um diodo). Devido ao aporte de energia, os átomos do material ficam excitados, com seus elétrons migrando para as órbitas mais energéticas.

Espontaneamente, cada elétron tende a retornar ao estado fundamental (de mínima energia), emitindo a energia excedente na forma de fóton (quantum de luz). Mas, em vez de deixar que o decaimento ocorra ao acaso, o dispositivo o induz por meio de outro fóton da mesma energia.

Cada fóton liberado por um elétron estimula, então, o elétron seguinte a emitir outro fóton, com o mesmo comprimento de onda. Desencadeia-se, assim, um efeito cascata. E um componente chamado “ressonador” faz os fótons produzidos retornarem ao meio ativo, induzindo mais emissão estimulada.

Desse modo, é gerada uma emissão de grande intensidade, com as três características mencionadas: monocromia, coerência e colimação.

Reconfiguração geométrica

“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, Wetter 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.

“Os dois passos, que fazem parte do mesmo feixe laser, brigam por energia de bombeamento. Como estão muito perto um do outro, não conseguem aumentar de calibre sem roubar energia deles mesmos. Como consequência, o feixe permanece com o menor tamanho transversal possível”, disse Wetter.

Espécie de salpa - um plâncton gelatinoso - descoberta durante a expedição Tara Oceans. Foto: Divulgação/Tara Oceans

Espécie de salpa - um plâncton gelatinoso - descoberta durante a expedição Tara Oceans. Foto: Divulgação/Tara Oceans

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