Luz dos lasers fica 10.000 vezes mais pura

Energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/08/2025

Este é o aparato experimental usado pela equipe para reduzir a largura de linha do laser.[Imagem: Macquarie University]

Largura da linha do laser

Uma nova técnica permitiu reduzir a largura de linha de um feixe de laser por um fator de mais de 10.000, um avanço que pode revolucionar campos tão diversos quanto a computação quântica, os relógios atômicos e a detecção de ondas gravitacionais.

A largura de linha do laser mede a precisão com que um feixe de luz mantém sua frequência e pureza de cor - quanto menor a largura de linha, mais monocromático e espectralmente puro é o laser.

A técnica consiste no uso de cristais de diamante e do efeito Raman, pelo qual a luz do laser estimula vibrações nos materiais e depois espalha essas vibrações.

"Um método atual para reduzir a largura de linha do laser utiliza dispositivos chamados lasers Brillouin, que utilizam ondas sonoras para interagir com a luz, mas o efeito é relativamente fraco - normalmente reduzindo a largura de linha em apenas dezenas a centenas de vezes," explicou Richard Mildren, da Universidade Macquarie, na Austrália. "Nossa técnica utiliza espalhamento Raman estimulado, em que o laser estimula vibrações de frequência muito mais alta no material, sendo milhares de vezes mais eficaz no estreitamento da largura de linha."

E os cálculos teóricas da equipe indicam que há espaço para melhorias em sua própria técnica, o que permitirá chegar a lasers de luz ainda mais pura. "Nossa modelagem computacional sugere que poderemos reduzir a largura da linha do laser em mais de 10 milhões de vezes usando variações do projeto atual," disse David Spence, membro da equipe.

Estrutura do modelo com propagação sobreposta para frente (superior) e para trás (inferior).[Imagem: R. L. Pahlavani et al. - 10.1063/5.0271652]

Retirando ruído da luz

Para chegar ao ganho obtido, a equipe utilizou um cristal de diamante medindo apenas alguns milímetros de diâmetro em uma cavidade cuidadosamente projetada, e então aplicou um feixe de entrada deliberadamente "ruidoso", com uma largura de linha superior a 10 MHz.

O problema envolve lidar com as pequenas variações das ondas de luz, que são aleatórias no tempo e que tornam os feixes de laser menos puros e precisos. Em um laser perfeito, todas as ondas de luz estariam perfeitamente sincronizadas, mas, na realidade, algumas ondas se adiantam ou atrasam ligeiramente em relação às outras, causando flutuações na fase da luz. Essas flutuações de fase criam "ruído" no espectro do laser - elas obscurecem a frequência do laser, tornando-o menos puro em termos de cor.

A técnica Raman funciona transferindo essas irregularidades no tempo para vibrações espaciais no cristal de diamante, onde elas são absorvidas e dissipadas muito rapidamente (em alguns trilionésimos de segundo). Isso resulta em ondas de luz com oscilações muito mais suaves e, portanto, espectralmente mais puras, com um efeito de estreitamento substancial no espectro do laser.

O uso de cristais de diamante se justifica porque o material tem propriedades térmicas excepcionais e fornece um ambiente de teste estável.

A técnica de espalhamento Raman estreitou o feixe de laser de saída para o limite de 1 kHz, representando um fator de redução de mais de 10.000.

Os modelos teóricos indicam que dá melhorar ainda mais a pureza da luz do laser.[Imagem: R. L. Pahlavani et al. - 10.1063/5.0271652]

Aplicações dos lasers de luz ultrapura

Os lasers de largura de linha ultrafina que poderão ser construídos com o desenvolvimento desta nova técnica terão diversas aplicações, como nos computadores quânticos, onde um controle extremamente preciso do laser é necessário para manipular os qubits - os lasers atuais podem introduzir ruído de fase que causa erros na computação quântica, um problema já por demais complicado por si só.

Uma maior pureza espectral também permitirá melhorar os relógios atômicos, que sustentam a navegação por GPS e podem em breve permitir novas descobertas na física fundamental e a redefinição do segundo no Sistema Internacional.

E na astronomia, detectores de ondas gravitacionais, que medem distorções incrivelmente pequenas no espaço-tempo, podem se tornar ainda mais sensíveis ao usar feixes de laser de largura de linha mais estreita, potencialmente revelando sinais mais fracos de eventos cósmicos distantes.

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