Laser é desviado usando apenas o ar

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/10/2023

Um feixe de luz laser de alta potência passa entre um conjunto refletor de alto-falantes, que criam uma grade óptica de ar. O feixe de laser interage com essa "mini-atmosfera" e é desviado sem contato.
[Imagem: Science Communication Lab/DESY]

Fazendo a luz fazer curvas

Em condições normais, os fótons gostam de viajar em linha reta, só fazendo curvas bruscas quando entram em contato com um meio adequado, como um espelho, ou quando mudam de meio no qual estão viajando, sendo então forçados pela difração.

Contudo, como fazer a luz fazer curvas suaves tem uma infinidade de aplicações práticas, os cientistas já criaram aparatos para forçar a luz a fazer curvas em U, deram um jeito para que a luz faça curvas sem truques e sem manipulações e, finalmente, conseguiram fazer com que a luz seja guiada em qualquer direção.

Agora, Yannick Schrödel e colegas do Instituto Helmholtz de Jena, na Alemanha, deram um passo adiante na tecnologia de guiar a luz por caminhos suaves: Eles forçaram a luz a fazer curvas usando apenas o ar, sem precisar de aparatos ópticos ou dos mais tradicionais metamateriais usados naquelas técnicas anteriores.

Isto tem grandes vantagens porque uma grade intangível, invisível e sem mudança de meio de propagação, já que ela é feita apenas de ar, não só é imune aos danos da luz laser, mas também preserva a qualidade original do feixe de luz, incluindo qualquer informação que ele carregue.

A técnica terá aplicações nos aceleradores de partículas e nas pesquisas de fusão nuclear.
[Imagem: Yannick Schrödel et al. - 10.1038/s41566-023-01304-y]

Grade óptica de ar gerada por som

A técnica inovadora utiliza ondas sonoras para modular o ar na região por onde passa o feixe de laser. As grades ópticas e os cristais fotônicos constituem ferramentas genéricas de manipulação da luz, mas são materiais sólidos, tipicamente fabricados com as técnicas da indústria de semicondutores.

Aqui, não há nada sólido - a grade óptica é feita inteiramente de ar. "Nós geramos uma grade óptica com a ajuda de ondas de densidade acústica," explicou Schrödel.

Com a ajuda de alto-falantes especiais, os pesquisadores modelaram um padrão de áreas densas e menos densas no ar, formando uma grade "listrada". Semelhante ao modo como as densidades diferenciais do ar dobram a luz na atmosfera da Terra, o padrão de densidade assume o papel de uma rede óptica que muda a direção do feixe de luz laser. "No entanto, desviar a luz por redes de difração permite um controle muito mais preciso da luz laser em comparação com a deflexão na atmosfera da Terra," ressalva Schrödel. "As propriedades da grade óptica são influenciadas pela frequência e intensidade - em outras palavras, pelo volume - das ondas sonoras."

Nestes primeiros experimentos, a luz de um laser infravermelho foi redirecionada com uma eficiência de 50%, mas a equipe acredita poder melhorar isso significativamente.

A equipe agora quer estender o princípio para outros elementos ópticos.
[Imagem: Yannick Schrödel et al. - 10.1038/s41566-023-01304-y]

Manipulando lasers sem contato

Embora tudo pareça delicado, esta foi uma demonstração peso-pesada. Para criar a grade óptica de ar, os alto-falantes atingiram um nível sonoro de cerca de 140 decibéis, mais ou menos o barulho de um motor a jato a poucos metros de distância. "Felizmente, estamos no faixa de ultrassom, que nossos ouvidos não captam," disse o professor Christoph Heyl.

O laser que foi defletido também é extremamente forte, na faixa dos 20 gigawatts. Lasers desta classe - e de potências ainda mais altas - são usados, por exemplo, para processamento de materiais, nas pesquisas de fusão nuclear e em aceleradores de partículas.

E é justamente aí que entra o grande interesse nessa técnica. "Nesta faixa de potência, as propriedades dos materiais de espelhos, lentes e prismas limitam significativamente seu uso, e na prática tais elementos ópticos são facilmente danificados por fortes feixes de laser," explicou Heyl. "Além disso, a qualidade do feixe de laser é prejudicada. Em contraste, conseguimos desviar os feixes de laser de uma forma que preserva a qualidade, sem contato."

O princípio do controle acústico da luz laser em gases não se limita à geração de redes ópticas, enfatizam os cientistas. Ele provavelmente poderá ser transferido para outros elementos ópticos, como lentes e guias de onda.

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