Os invernos são frios em Rochester, NY. A cidade fica na costa sul do Lago Ontário, e túneis conectam os prédios da universidade próxima para proteger os estudantes das baixas temperaturas.
Mas a neve, o céu nublado e o frio criam condições perfeitas para esquiar.
Gérard Mourou, Ph.D., estava andando em um teleférico em uma estação de esqui local na década de 1980. Não havia muito o que fazer em um teleférico naquela época, antes que o celular se tornasse nosso acessório mais recente.
Seus pensamentos se voltaram para seu trabalho em física de altas energias na Universidade de Rochester. Como professor e membro do Laboratório de Energética a Laser, ele estava tentando descobrir como tornar os lasers mais potentes.
O objetivo de Mourou era desenvolver um pulso de laser ultracurto e de alta intensidade sem destruir o equipamento usado para produzi-lo.
Aquela viagem de elevador proporcionou talvez a sua maior revelação.
Horizonte de Rochester, Nova Iorque
O cientista americano Theodore Maiman inventou o laser em 1960. Depois disso, a potência dos lasers aumentou lentamente. Os cientistas se esforçaram para criar pulsos mais intensos sem que a luz destruísse o material amplificador.
Sentado no teleférico, Mourou teve um momento de inspiração.
“Peguei meu carro e fui imediatamente para o laboratório em Rochester”, disse Mourou. “Meus alunos estavam trabalhando. Eu disse: 'Morris, pare tudo o que você está fazendo – é isso que vamos fazer.'”
Mourou desenvolveu um método para criar um esticador de ondas usando grades de difração, que se tornaria um componente fundamental de sua ideia, em conjunto com sua aluna de pós-graduação Donna Strickland, para amplificar lasers de pulsos curtos. Eles chamaram essa técnica de amplificação de pulso chirpado (CPA, na sigla em inglês).
A amplificação por pulso contínuo (CPA), estabelecida em 1985, é um método para amplificar um pulso de laser sem destruir o meio amplificador. Seu conceito é elegantemente simples: esticar o feixe, amplificá-lo e, em seguida, comprimi-lo.
Esticar
Um pulso inicial curto de luz proveniente de um laser atravessa um par de grades de difração. As grades direcionam os componentes de frequência mais baixa do pulso por um caminho mais curto do que os componentes de frequência mais alta. As grades dispersam a luz do pulso no tempo por um fator de 1.000 a 100.000 vezes.
Isso significa que a grade de difração decompõe o pulso em todas as suas cores constituintes, enviando primeiro os comprimentos de onda mais longos e, por último, os mais curtos. Consequentemente, o pulso tem uma duração maior, o que reduz sua intensidade.
Amplificar
Agora que o pulso é mais longo e de menor potência, é seguro amplificá-lo sem perder nenhum sinal ou informação. Uma vez amplificado, o pulso tem maior energia, mas ainda mantém uma longa duração. Dessa forma, ele pode passar pelo meio amplificador sem problemas.
Compressa
Este pulso longo, amplificado e de maior energia passa por um segundo par de grades de difração que revertem o trabalho do primeiro par. Estas grades eliminam o atraso entre os comprimentos de onda mais longos e mais curtos do pulso. As grades agrupam todos os comprimentos de onda em um único pulso com a mesma forma e duração do pulso original. As grades recomprimem o pulso no tempo, resultando em uma versão amplificada do estado original do pulso de laser.
O pulso resultante possui uma potência amplificada muito maior. Essas intensidades seriam impossíveis de alcançar com segurança usando a amplificação direta do pulso.
Direitos autorais: ©Phil Saunders Graphics/ Projeto École Polytechnique
A frequência da luz laser muda quando os cientistas esticam o pulso. Isso produz um chirp, um termo cunhado em referência às mudanças na frequência do som ao longo do tempo quando um pássaro chilreia. Os componentes de alta frequência ficam atrasados, resultando em uma duração de pulso mais longa e no chirp.
O resultado da CPA foi a produção de lasers muito mais potentes e de pulsos curtos. A potência dos lasers aumentou drasticamente depois que os cientistas aperfeiçoaram a técnica.
Na época, Mourou não tinha noção da magnitude de sua conquista de 1985.
“Quando começamos, a maca e o compressor não eram compatíveis, então não foi uma grande conquista”, disse ele. “Não sabíamos o que fazer com eles. Mas sabíamos que ainda tínhamos um longo caminho a percorrer.”
O primeiro esticador era um cabo de fibra óptica. Isso causou problemas.
“No primeiro CPA, usamos fibra para esticar e grades para comprimir”, disse Mourou. “Se o esticador e o compressor não forem perfeitamente compatíveis, a forma não corresponderá.”
Mourou e Strickland procuraram a maca e o compressor perfeitos durante cerca de um ano.
Naquele dia de inverno, enquanto estava no teleférico, os pensamentos de Mourou se voltaram para o trabalho de Oscar Martinez, Ph.D. Martinez era um pesquisador que trabalhava em um aplicativo de comunicação.
“Ele fez exatamente o oposto do que estávamos fazendo”, disse Mourou. “Estávamos nos comunicando.”
A falta de uma correspondência exata entre o esticador de fibra e o compressor de grades interferiu na saída.
“Esse era um grande problema. Resolvi-o usando um esticador de duas grades, a mesma coisa que o compressor. Levei um ou dois anos para pensar nisso. A fibra para esticar foi fácil. A pista foi Oscar Martinez. Oscar Martinez queria comprimir esse pulso. Percebi que o compressor dele era exatamente o esticador que eu estava procurando.”
Como resultado, Mourou e Strickland começaram a usar grades de difração para o esticador que combinavam perfeitamente com as grades do compressor.
O professor Gérard Mourou e uma de suas primeiras grades de difração.
A demonstração de CPA (Amplificação por Conversão de Frequência) realizada por Mourou e Strickland em 1985 na Universidade de Rochester serviu como prova de conceito. O experimento foi baseado em fibra óptica para o esticador e pequenas grades de difração para o compressor. Isso limitou a intensidade do pulso de laser e a eficiência do processo de conversão de luz.
Quando Mourou retornou à França, propôs modernizar aquele que era, na época, um dos lasers mais antigos do país. Para realizar essa modernização, ele precisava de grades de difração muito maiores, que produzissem mais potência e tivessem maior eficiência. Eficiência é a porcentagem da energia projetada nas grades que é refletida.
Isso gerou mais problemas.
“Ao comprimir os pulsos, você obtém uma enorme quantidade de energia em um período muito curto de tempo”, disse Olivier Nicolle, Diretor de Grades e OEM da HORIBA França. “E você corre o risco de danificar a superfície revestida da grade.”
Mourou trabalhou com HORIBA France, na época uma empresa separada chamada Jobin Yvon, para desenvolver grades maiores que produzissem maior potência e eficiência. Jobin Yvon também desenvolveu revestimentos com acabamento em ouro que não seriam danificados pelo feixe comprimido.
As grades desenvolvidas por Jobin Yvon e Mourou eram enormes para os padrões da época: 190 mm por 350 mm (7,5 polegadas por 13,8 polegadas). Elas eram muito maiores do que as grades comerciais padrão de 50 mm por 50 mm (duas polegadas quadradas) comumente usadas. Havia um bom motivo para isso.
“Uma grade de 190 por 350 mm é cerca de 25 vezes maior que uma grade de 50 por 50 mm e, portanto, pode comprimir um pulso de laser de energia muito maior”, disse Nicolle. “Isso permite um aumento de energia de 25 vezes. Além disso, há uma economia significativa de energia ao usar um projeto de grade altamente eficiente.”
A eficiência é importante, pois o feixe reflete em quatro grades ao ser esticado e depois comprimido. Portanto, qualquer perda de eficiência é elevada à quarta potência.
A utilização de grades de alta eficiência permite uma economia significativa de energia, da ordem de grandeza superior. Graças ao tamanho, a intensidade proporcionada pelo novo design do CPA tornou o sistema imediatamente capaz de fornecer a intensidade desejada pelos pesquisadores.
Trinta e três anos após a descoberta da CPA em 1985, o comitê do Nobel concedeu a Mourou e Strickland, Ph.D., parte do Prêmio Nobel de Física de 2018. A dissertação que detalha a CPA foi a tese de doutorado de Strickland e seu primeiro artigo publicado. Eles intitularam o artigo "Compressão de pulsos ópticos chirpados amplificados" e o submeteram para publicação em 5 de julho de 1985.
Quando receberam o Prêmio Nobel, ambos já haviam deixado a Universidade de Rochester.
Mourou ingressou na Universidade de Michigan, em Ann Arbor, em 1988, onde fundou o Centro de Ciência Óptica Ultrarrápida. Retornou à França em 2005 e tornou-se diretor do Laboratório de Óptica Aplicada da École Polytechnique. Atualmente, trabalha em um projeto da União Europeia que envolve três países e visa aplicar a física de altas energias em diversas áreas.
Strickland, canadense, tornou-se professora de física óptica na Universidade de Waterloo, em Ontário, Canadá. Ela foi a terceira mulher a receber um Prêmio Nobel de Física.
Existe um pequeno museu em Estocolmo, na Suécia, dedicado ao Prêmio Nobel. Ele reconhece as maiores conquistas da ciência.
Os diretores do Museu Nobel perguntaram a Mourou o que ele gostaria de exibir para comemorar a descoberta da ACP.
Mourou escolheu uma das grades de difração originais Jobin Yvon (HORIBA) usadas em seus experimentos com grades maiores. Isso abriu caminho para intensidades e potências de pulsos curtos ainda maiores. O grande avanço foi a robustez e o tamanho da grade de difração em um ambiente de alta energia de pulsos curtos.
Grade de difração HORIBA em exibição no Museu Nobel.
Strickland e Mourou geraram pulsos que duraram 500 femtosegundos. Com essa velocidade, tornou-se possível estudar reações químicas e as atividades dentro de átomos individuais.
A CPA tornou-se o novo padrão para lasers de alta intensidade. Desde a sua descoberta, a intensidade fornecida em um pulso de laser curto aumentou para a faixa de petawatts. Um petawatt equivale a 10¹⁵ watts. E a duração de um pulso diminuiu para a faixa de femtosegundos, um quatrilionésimo de segundo. É muita potência, mas essa potência dura muito pouco tempo.
A tecnologia CPA também resultou em equipamentos de produção de laser mais compactos.
A cirurgia ocular a laser tornou-se um dos usos mais conhecidos da CPA. No entanto, foi preciso um acidente fortuito em 1993 para que o potencial da tecnologia para o procedimento fosse compreendido.
O incidente ocorreu no laboratório de Mourou na Universidade de Michigan, no início da década de 1990. Um aluno estava ajustando um laser CPA sem usar os óculos de proteção obrigatórios. O laser atingiu o olho do aluno. Mourou o levou imediatamente para o Centro Oftalmológico Kellogg da universidade para tratamento.
O oftalmologista que examinou o aluno ficou estupefato.
“Isto é fantástico”, disse ele. “Que tipo de laser você estava usando?”
O aluno disse: "É um novo tipo de laser. Por que você pergunta?"
“É estranho”, disse o médico, “porque o dano que você tem no olho é perfeito.”
O laser CPA causou uma lesão perfeitamente circular na retina do estudante. Não houve danos colaterais ao tecido circundante. Isso despertou o interesse do centro médico na tecnologia, que acabou investindo nela.
"Imediatamente percebemos que tínhamos algo promissor", disse Mourou. "O oftalmologista me ligou alguns dias depois e disse que queria trabalhar em nosso grupo com oftalmologia por femtosegundo."
A oftalmologia por femtosegundo é uma cirurgia ocular a laser que utiliza pulsos ultracurtos de energia como um bisturi a laser, sem danificar o tecido circundante.
Essa sequência de eventos acabou levando ao desenvolvimento da cirurgia ocular a laser. Os médicos introduziram inicialmente lasers baseados em CPA para cirurgia refrativa da córnea na criação do flap durante o LASIK em 2008 e, posteriormente, para cirurgia de catarata.
Os cientistas utilizam a tecnologia CPA em diversos contextos, incluindo pesquisa, indústria, medicina e produção comercial. Quase todos os lasers mais potentes utilizam CPA. Isso inclui aqueles com mais de 100 terawatts de potência — 1 trilhão de watts.
Essas aplicações incluem:
Mourou está empenhado em desenvolver maneiras de alterar a vida útil dos resíduos radioativos, subprodutos da fissão nuclear. Ele declarou ao The Conversation, uma revista científica francesa:
“Considere o núcleo de um átomo. Ele é composto de prótons e nêutrons. Se adicionarmos ou removermos um nêutron, tudo muda completamente. Ele deixa de ser o mesmo átomo e suas propriedades se alteram por completo. A vida útil do lixo nuclear é fundamentalmente alterada, e poderíamos reduzi-la de um milhão de anos para 30 minutos.”
“Já somos capazes de irradiar grandes quantidades de material de uma só vez com um laser de alta potência, então a técnica é perfeitamente aplicável e, em teoria, nada nos impede de ampliá-la para um nível industrial. Este é o projeto que estou lançando em parceria com a Comissão de Energias Alternativas e Energia Atômica (CEA) na França. Acreditamos que em 10 ou 15 anos teremos algo que poderemos demonstrar. É isso que realmente me permite sonhar, pensando em todas as aplicações futuras da nossa invenção.”
Você tem alguma dúvida ou solicitação? Utilize este formulário para entrar em contato com nossos especialistas.
