Um estudo aceito para publicação pela revista Physical Review X, disponível no servidor de pré-impressão arXiv estabeleceu um novo recorde confinando um pulso de laser autofocado a uma gaiola de ar, ao longo de um corredor universitário de 45 metros de comprimento.

Experimento conduzido em um corredor da Universidade de Maryland, nos EUA, bate recorde de alcance de um feixe de laser. Crédito: Laboratório de Interações Laser-Matéria Intensas, UMD

Com os resultados anteriores ficando bem abaixo de um metro, esse novo experimento liderado pelo físico Howard Milchberg, da Universidade de Maryland (UMD), nos EUA, abre novos caminhos para confinar a luz a canais conhecidos como guias de ondas de ar.

Segundo os autores, os resultados podem inspirar novas maneiras de alcançar comunicações baseadas em laser de longo alcance ou até mesmo tecnologia avançada de armas baseadas em laser.

“Se tivéssemos um corredor mais comprido, nossos resultados mostram que poderíamos ter ajustado o laser para um guia de ondas mais longo”, diz o coautor Andrew Tartaro, físico da UMD. “Mas conseguimos nosso guia certo para o corredor que temos”.

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Os lasers podem ser úteis para uma variedade de aplicações, desde que os raios de luz bem organizados sejam encurralados e focados de alguma forma. Do contrário, o laser se espalha, perdendo potência e eficácia.

Uma dessas técnicas de foco é o guia de ondas, que faz exatamente o que o nome sugere: ele guia as ondas eletromagnéticas por um caminho específico, impedindo-as de se espalhar.

Um exemplo disso é a fibra óptica, que consiste em um tubo de vidro ao longo do qual as ondas eletromagnéticas são direcionadas. Como o revestimento ao redor do exterior do tubo tem um índice de refração mais baixo do que o centro do tubo, a luz que tenta se espalhar se dobra de volta para o interior, mantendo o feixe ao longo de seu comprimento.

Laser pulsado cria plasma que aquece o ar

Em 2014, Milchberg e seus colegas demonstraram com sucesso o que chamaram de guia de ondas aéreas. Em vez de usar uma construção física, como um tubo, eles usaram pulsos de laser para encurralar sua luz laser. 

Os cientistas descobriram que o laser pulsado cria um plasma que aquece o ar em seu rastro, deixando para trás um caminho de ar de baixa densidade. É como relâmpagos e trovões em miniatura: o ar de baixa densidade em expansão produz um som como um pequeno trovão após o laser, criando o que é conhecido como filamento.

A luz coletada após sua jornada no corredor sem (à esquerda) e com (à direita) um guia de ondas de ar. Créditos: Laboratório de Interações Laser-Matéria Intensas, UMD

O ar de menor densidade tem um índice de refração mais baixo do que o ar ao seu redor – como o revestimento em torno de um tubo de fibra óptica. Então, disparar esses filamentos em uma configuração específica que “enjaula” um feixe de laser em seu centro efetivamente cria um guia de onda para fora do ar.

Os experimentos iniciais descritos em 2014 criaram um guia de ondas de ar de cerca de 70 centímetros de comprimento, usando quatro filamentos. Para ampliar o experimento, eles precisavam de mais filamentos – e um túnel muito mais longo para brilhar suas luzes, de preferência sem ter que mover seus equipamentos pesados. 

Assim, foi usado um longo corredor no Centro de Pesquisa Energética da UMD, alterado para permitir a propagação segura de lasers irradiados através de um buraco na parede do laboratório. Os pontos de entrada do corredor foram bloqueados, superfícies brilhantes foram cobertas, e cortinas absorvedoras de laser foram implantadas.

“Foi uma experiência realmente única”, diz o engenheiro elétrico da UMD, Andrew Goffin, primeiro autor do artigo. “Há muito trabalho para fotografar lasers fora do laboratório com o qual você não precisa lidar quando está no laboratório – como colocar cortinas para a segurança ocular. Foi definitivamente cansativo”.

Finalmente, então, a equipe pôde criar um guia de ondas capaz de atravessar um corredor de 45 metros – acompanhado por ruídos crepitantes e estalos, os “pequenos trovões” criados por seu filamento laser “relâmpago”. 

No final do guia de ondas de ar, o pulso de laser no centro reteve cerca de 20% da luz que teria sido perdida sem um guia de onda.

De volta ao laboratório, a equipe também estudou um guia de ondas de ar mais curto, de 8 metros, para fazer medições dos processos que ocorreram no corredor, onde eles não tinham o equipamento para isso.

Esses testes mais curtos foram capazes de reter 60% da luz que teria sido perdida. Os pequenos trovões também foram úteis: quanto mais enérgico o guia de ondas, mais alto o estouro.

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A pesquisa sugere onde  podem ser feitas melhorias. Por exemplo, maior eficiência de orientação e comprimento deve resultar em menos perda de luz. A equipe também quer experimentar diferentes cores de luz laser e uma taxa de pulso de filamento mais rápida, para ver se eles podem guiar um feixe de laser contínuo.

“Alcançar a escala de 50 metros para guias de ondas de ar literalmente abre o caminho para guias de onda ainda mais longos e muitas aplicações”, diz Milchberg. “Com base nos novos lasers que estamos prestes a receber, temos a receita de estender nossos guias para um quilômetro e além”.

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