Pesquisador do IPEN Produz Laser Compacto Com Alta Eficiência
Olá leitor!
Segue abaixo um interessante artigo publicado dia (31/07)
no site da Agência FAPESP, destacando que pesquisador
do Instituto de Pesquisas
Energéticas e Nucleares (IPEN) produz Laser Compacto com alta eficiência
para ser aplicado em satélites.
Duda Falcão
Notícias
Pesquisador do IPEN Produz Laser
Compacto Com Alta Eficiência
José Tadeu Arantes
Agencia FAPESP
31 de julho de 2015
(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.
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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).
“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.
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.
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.
Fonte: Site da Agência FAPESP
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