GLAGrupo de Lasers e Aplicações

Grupo de Lasers e Aplicações (GLA)

O Grupo de Lasers e Aplicações realiza pesquisa científica e forma recursos humanos qualificados nas áreas de Óptica e Fotônica, e em Física Atômica e Molecular. O grupo possui caráter fortemente experimental, mas também produz resultados teóricos. Os temas de pesquisa são tanto em física básica quanto aplicada.

Em suas atividades de pesquisa, o grupo utiliza diversos tipos de lasers, que vão desde o ultavioleta até o infravermelho distante, e que operam em regimes tanto contínuos como pulsados. O grupo também tem uma forte tradição em instrumentação científica, frequentemente desenvolvendo os próprios lasers, equipamentos eletrônicos e módulos experimentais.

As linhas de pesquisa atuais incluem:

  • Espectroscopia a laser, com ênfase para técnicas de alta-resolução, precisão e sensibilidade. Faz-se também uso intensivo de técnicas de óptica não linear, de técnicas especiais de detecção e de instrumentação científica, como o desenvolvimento de lasers no terahertz, de pulsos ultra-curtos (femto-segundos) e pentes de frequências ópticas.
  • Metrologia de tempo, frequência e comprimento, que inclui o desenvolvimento de padrões de frequências e novos relógios atômicos, assim como a disseminação destes por redes de fibras ópticas.
  • Resfriamento e aprisionamento de átomos com laser, onde o grupo investiga átomos diferentes dos convencionais, como o de cálcio, e o desenvolvimento de novas técnicas de resfriamento. Este trabalho pode levar à obtenção um condensado de Bose-Einstein e ao desenvolvimento da futura geração de relógios atômicos ópticos.
  • Transparência induzida eletromagneticamente, que pode ser usada para diminuir drasticamente a velocidade da luz que passa através de um meio) e o seu uso na espectroscopia de precisão.
  • Ciência e tecnologia de Terahertz, incluindo o desenvolvimento e uso de novas fontes de radiação na faixa de frequências de 0.1 a 10 THz (laser de vapor molecular, e espectrômetro de pulsos de THz), e métodos de detecção (antenas fotocondutivas, detecção eletro-óptica, sensores piroelétricos). As aplicações incluem espectroscopia e imageamento. Imagens em Terahertz podem ser semelhantes às de raios X (sem seus efeitos nocivos), sendo transmitida por muitos materiais.

As diversas linhas atuais são detalhadas abaixo:

Espectroscopia a laser

Lasers tornaram-se uma ferramenta essencial para investigar a propriedade dos átomos e moléculas, assim como a interação da luz com a matéria. Um dos objetivos desta linha de trabalho é obter a máxima resolução, precisão ou sensibilidade de detecção em medidas espectroscópicas, através do uso e desenvolvimento de técnicas baseadas na utilização de lasers. O espectro de um átomo ou molécula (ou seja, um mapa de como ele absorve ou emite luz em função da cor) constitui sua “impressão digital”. Os lasers apresentam muitas vantagens em relação a fonts de luz comuns. A espectroscopia permite por exemplo identificar os diversos gases no ambiente, ou detectar e quantificar gases poluentes ou tóxicos. Uma meta por exemplo é obter o espectro de diversos gases numa mistura, com alta resolução, em uma ampla faixa de cores (comprimentos de onda) detectados à distância e em tempo real. A alta resolução e precisão espectroscópica permitem estudar detalhes finos da estrutura dos átomos, proporcionando grande precisão no teste de teorias de física atômica, molecular ou física quântica. A alta intensidade destas fontes de luz permite por exemplo modificar a absorção (e a dispersão) dos átomos e moléculas, criando as vezes amostras com propriedades incomuns. O controle da intensidade, frequência e tempo de exposição do laser permite produzir amostras atômicas em estados especiais.

Os átomos e moléculas que constituem todos os materiais, apresentam absorção de luz que permite estudar diferentes efeitos. Luz visível e ultravioleta, por exemplo, permite estudar as propriedades eletrônicas de átomos e moléculas, enquanto luz infravermelha permite estudar a vibração e a rotação de moléculas, ou detalhes finos que vêm da interação dos elétrons com o núcleo atômico.

Os estados de energia dos átomos e moléculas podem separados em:

  • Eletrônicos – correspondentes às diferentes energias possíveis para seus elétrons. Transições entre níveis energéticos eletrônicos costumam produzir luz visível ou ultravioleta (para elétrons de valência) ou no raios-X (para elétrons das camadas interiores do átomo);
  • Vibracionais – diferentes modos de vibração e com diferentes frequências. Transições entre níveis vibracionais costumam produzir radiação na faixa do infravermelho;
  • Rotacionais – diferentes estados de rotação da molécula, com maior ou menor momento angular. Transições entre níveis rotacionais em geral produzem radiação na faixa do infravermelho distante ou microondas.

Lasers contínuos podem ser usados para obter alta resolução e assim investigar detalhes finos dos materiais, enquanto lasers pulsados (com pulsos curtos de nanosegundos a femtosegundos) podem ser usados para estudar a dinâmica temporal de materiais, ou realizer espectroscopia numa ampla faixa de comprimentos de onda.

O grupo utiliza diversos tipos de lasers em diferentes faixas espectrais e regimes de operação (ver lista de equipamentos abaixo).

Laser de CO2 selado construído no GLA

Laser de CO2 selado construído no GLA
Fonte: Mestrado de Alexander Pérez Ramírez, IFGW/Unicamp (2010)

Laser de Ti:safira de femosegundos de alta taxa de repetição (1 GHz) contruido no grupo

Laser de Ti:safira de femosegundos de alta taxa de repetição (1 GHz) contruido no grupo
Tese de doutorado Giovana Trevisan Nogueira (2008)

Laser Ti:safira contínuo contruido no grupo

Laser Ti:safira contínuo contruido no grupo

Laser de Ti:safira contínuo com comprimento de onda “duplicado” para o azul, construido no grupo

Laser de Ti:safira contínuo com comprimento de onda “duplicado” para o azul, construido no grupo. Utiliza-se aqui técnicas de óptica não –linear (geração de segundo harmônico). Luz azul (423 nm) é necessária para resfriamento e aprisionamento de átomos de Cálcio

Sistema de vácuo para armadilha magneto-óptica para átomos de cálcio, construida no grupo

Sistema de vácuo para armadilha magneto-óptica para átomos de cálcio, construida no grupo.A armadilha (à esquerda) é carregada por átomos de um feixe atômico desacelerado a laser. No centro vê-se a bobina de desaceleração

Detalhe da câmara de vácuo da armadilha para átomos frios de cálcio

Detalhe da câmara de vácuo da armadilha para átomos frios de cálcio. Luz azul corresponde ao laser de resfriamento e aprisionamento

Laser de estado sólido verde (532 nm), de 5 Watts, usado para acionamento do laser de Ti:safira

Laser de estado sólido verde (532 nm), de 5 Watts, usado para acionamento do laser de Ti:safira

Laser de Ti:safira azul, construido no grupo

Laser de Ti:safira azul, construido no grupo

Metrologia de tempo, frequência e comprimento

O grupo realiza pesquisa em Metrologia científica de tempo, frequência e comprimento. Estamos engajados no desenvolvimento de padrões de frequências e tempo. Aqui, por “padrões” entendemos aqueles usados para medidas. Por exemplo, quando medimos algo com uma régua, estamos usando um padrão de medida. Não só todos os milímetros da régua têm que ser iguais, como os de todas as réguas do mundo. Então é importante haver um padrão único a que todas elas se refiram. Segundo o padrão internacional atual, o metro é a distância percorrida pela luz durante 1/299.792.458 segundo. Isso é melhor do que uma “régua-padrão”, porque é possível de ser reproduzido em laboratório (há uma “régua-padrão” em Sèvres, França, uma barra de platina e irídio mantida a 0°C, que foi usada até 1960).

Também, há padrões de massa, de tempo, etc. O de tempo é baseado na frequência da luz absorvida por transições atômicas. Atualmente, a official é a transição do césio, por causa da sua grande estabilidade: um “Segundo” é hoje definido como 9.192.631.770 vezes a duração do período da radiação absorvida na transição entre dois subníveis hiperfinos do estado eletrônico fundamental do 133Césio. Por causa de sua estabilidade, o césio é usado também para construir relógios atômicos, que são relógios de altíssima precisão. Outros padrões também são definidos por meio dele – já vimos acima como o próprio metro é definido em termos do segundo.

No entanto, para diversas aplicações científicas é conveniente estabelecer-se padrões em outras frequências maiores que a do césio, que está na faixa de microondas – onde estão, em geral, os padrões mais estáveis. A busca mais intensa está na faixa da luz visível e na busca do “relógio óptico” – que funciona de modo análogo ao relógio atômico de césio. Os relógios são baseados em transições atômicas ópticas (envolvendo absorção de luz), e não transições de microondas como os relógios atuais de Césio ou Rubídio. O grupo hoje trabalha no desenvolvimento de um relógio atômico óptico baseado em cálcio. Outros elementos químicos promissores são o estrôncio e itérbio. O relógio óptico utiliza um laser ultra-estável em frequência, que tem sua frequência adicionalmente controlada pela absorção de átomos de cálcio. Este laser passa a ser a base do relógio. Para medir a frequência deste laser, na faixa de centenas de Terahertz, utiliza-se um pente de frequências ópticas, que é uma montagem baseada em um laser de pulsos ultracurtos (femto segundos, ou 10-15 s). O desenvolvimento destes pentes foi reconhecido com o prêmio Nobel de Física em 2005. O grupo desenvolveu um pente de frequências baseado em laser de Ti:safira. Além disto realiza experimentos com padrões de microondas (GPS e padrão de rubídio), e disseminação de frequências por rede de fibras ópticas, mantendo ainda colaboração com o Inmetro.

Resfriamento e aprisionamento de átomos com laser

Trata-se de uma aplicação dos lasers bastante explorada nos últimos anos, e recomnhecida com o prêmio Nobel de Física em 1997. Resfriar átomos significa retirar energia cinética deles até que atinjam temperaturas próximas do zero absoluto. Pode-se aprisionar estes átomos em campos elértricos e magéticos, obtendo uma amostra única no universo, com átomos isolados e praticamente parados. A temperaturas muito baixas, esta amostra pode se converter num condensado de Bose-Einstein (CBE) – um estado da matéria no qual os átomos se comportam de maneira coletiva, formando uma amostra macroscópicacom propriedades do mundo microscópico dos átomos, regido pela física quântica. O CBE foi previsto por Einstein e Nathan Bose em 1924, mas não se tinha muita idéia de com o que poderia se parecer. Foi obtido pela primeira vez apenas em 1995, feito reconhecido seis anos depois com outro prêmio Nobel de Física em 2001. A investigação das suas propriedades é uma importante frente de pesquisa da física atual, bem como estudos para se obter CBE com átomos diferentes.

Tanto o resfriamento quanto o aprisionamento são feitos, em geral, com uma associação entre lasers (armadilha óptica) e campos magnéticos (armadilha magnética). O grupo tem trabalhado na direção da obtenção do CBE, mas com átomos não convencionais, como (novamente) o cálcio.

O cálcio, porém, exige técnicas diferentes das usuais, pois ele não permite o uso da armadilha magnética. Para isso, o grupo tem associado a armadilha de dipolo óptico a outras, como o resfriamento multifóton, para abaixar ainda mais a temperatura. Um desafio futuro das pesquisas do grupo é conseguir o CBE por essas vias e investigar suas propriedades.

Transparência induzida eletromagneticamente

Os lasers também podem ser usados para a transparência induzida eletromagneticamente. Quando incidimos um deles sobre um conjunto de átomos e a energia do fóton do laser coincide com a energia entre dois níveis energéticos desse átomo (ou seja, o laser está ressonante com uma transição atômica), os seus fótons são absorvidos pelo átomo e sua energia faz com que o elétrons atômicos subam de nível energético. Pois bem, quando um segundo laser incide sobre esses átomos, mas ressonante com outra transição (tendo, porém, um dos níveis energéticos coincidente com a transição ressonante com o primeiro laser), a absorção do primeiro laser pode não acontecer – e aí o material fica transparente a ele. É a transparência induzida eletromagneticamente.

Há mais fenômenos interessantes que acontecem nessa situação. Uma delas é que o primeiro laser, ao passar pelo material, sofre grande dispersão, ou seja, grande variação na sua velocidade – a qual pode ser reduzida drasticamente (outros grupos ao redor do mundo já conseguiram velocidades de apenas 17 m/s ou mesmo “parar” a luz – sua energia fica armazenada no material até que outro laser a libere e ela escape novamente, na forma, novamente, de laser). Essa grande dispersão leva também a uma alta não-linearidade óptica do meio atômico.

O Grupo está explorando a não-linearidade Kerr gigante (uma mudança no índice de refração do material quando se aplica campos elétricos sobre ele) para criar grades atômicas de fase que difratam luz de maneira eficiente. Essas grades podem ser usadas para implementar chaves ópticas que funcionem com luz de baixa intensidade, ou para fazer manipulação espacial de feixes de luz, ou para armazenamento da luz, entre outras aplicações. Também são estudados outros efeitos ópticos não-lineares, como a emissão cônica, caracterizada pela formação de anéis ao redor do feixe de laser, a intensidades de luz muito abaixo da intensidade de saturação das transições atômicas.

O grupo tem investigado também a transparência induzida por lasers em pulsos ultracurtos (femtossegundos). Os seus membros têm estudado a propagação de pulsos desse tipo no meio atômico e investigado como o meio e o pulso se comportam em tais situações. Os pulsos ultracurtos são capazes de excitar os átomos do material, que em seguida decaem; quando a taxa de repetição dos pulsos é maior do a taxa de decaimento atômico, a excitação (população e coerência) pode se acumular entre dois pulsos. O grupo tem interesse em estudar o papel dessa acumulação coerente na transparência induzida dos pulsos ultracurtos.

Ciência e tecnologia de Terahertz

A faixa TeraHertz do espectro (abreviado como THz, ou seja, 1000 Gigahertz), estende-se desde microondas até o infravermelho médio, com comprimentos de onda entre aproximadamente 3 milímetros e 30 micrômetros. Em um dos lados do espectro eletromagnético temos as ondas de rádio, que são emitidas e recebidas por antenas e manipuladas com componentes eletrônicos. No outro lado temos a luz, bem conhecida, que é manipulada através de espelhos, lentes e fibras ópticas. A região THz, que está situada entre estas duas bandas espectrais bem conhecidas, é ainda pouco explorada, e requer avanços tecnológicos que combine conhecimentos de eletrônica e óptica. Até poucos anos atrás esta tecnologia esteve voltada quase que totalmente às aplicações militares, tornando as informações confidenciais, e o acesso aos componentes já fabricados restrito, e muitas vezes impossível de serem importados por determinados países como o Brasil. A capacidade de visualizar objetos em ambientes sem luz e através de diferentes materiais trouxe novos atrativos para o desenvolvimento na região do infravermelho, dividido entre próximo, médio e distante (região THz). De fato, radiação terahertz tem a capacidade de penetrar vários materias que são opacos para luz visível, como fumaça, papel, papelão, plásticos, madeira, cerâmica e tecidos. Desta forma, pode ser usada para obter imagens do interior de objetos, assim como se faz com os raios-X, porém sem nenhum efeito nocivo uma vez que, ao contrário destes, é radiação não ionizante de baixa energia.

O imageamento THz apresenta duas vantagens principais sobre a tecnologia de microondas, já bem estabelecida: (a) resolução espacial, pelo menos dez vezes melhor e (b) características espectrais de determinados materiais exclusivamente nesta faixa espectral. Aplicações em segurança, para fins comerciais e militares, são provavelmente as aplicações mais divulgadas nesta área até hoje. Além das aplicações, o grupo tem interesse no uso de terahertz para entender as respostas ópticas dos materiais nesta faixa.

O grupo tem longa tradição no desenvolvimento e uso de lasers de Terahertz, baseados em gases moleculares como metanol. Atualmente buscamos explorar o uso destes lasers em imagens. Desenvolvemos também um espectrômetro de pulsos de Terahertz, que permite realizar espectroscopia nesta região espectral.

Relação de Equipamentos

O grupo de Lasers e Aplicações conta hoje com uma infraestrutra de laboratórios, nas áreas de Óptica e Fotônica, comparável aos melhores laboratórios do mundo. O grupo recebeu recursos consideráveis através de três projetos temáticos da Fapesp, a participação no Centro de Pesquisas em Optica e Fotônica da Fapesp, além de recursos do CNPq e da Unicamp.

A relação abaixo reflete a infraestrutura atual do grupo, que conta com quatro laboratórios no piso inferior do DEQ (L102, L103, L104 e L105). Estes laboratórios possuem 8 mesas ópticas (marcas Newport e TMC), das quais 6 possuem sistemas de fluxo laminar (sala limpa), que impedem a contaminação de componentes ópticos.

Os equipamentos são listados abaixo, separados em ópticos, electrônicos e de vácuo.

Óptica

  • 3 Lasers de estado sólido em 532 nm, marca/modelo Coherent Verdi, 5 W, 6 W e 10 W
  • 2 lasers de corante marca/modelo Coherent CR-699
  • 1 laser de argônio, marca/modelo Coherent Innova 200, 20 W de potência
  • 3 lasers de Ti:safira de femtosegundos, desenvolvidos no grupo
  • 1 laser de Ti:safira contínuo, sintonizável (700-900 nm), desenvolvido no grupo
  • 1 laser de Nd:YAG Q-switched (1064 nm), desenvolvido no grupo
  • 1 amplificador de fibra de Yb em 1050 nm, 10 W, marca Nuffern
  • Lasers semicondutores em 780 nm, 850 nm, 1030 nm, em cavidade estendida
  • 1 laser de CO2 sintonizável com grade de difração, 50 Watts
  • 2 lasers de infravermelho distante (Terahertz) usando vapor de metanol
  • Cristais não lineares para geração de segundo harmônico, soma ou diferença de frequências
  • 1 cristal não linear de PPLT para OPO (pump 532 = signal 845 nm + Idler1433 nm) com forno, marca HC Photonics
  • 2 cristais de PPLN, para SHG de 1064 nm, com forno, Marca Thorlabs
  • 1 fonte de luz térmica no infravermelho (2-20 microns), modelo Newport
  • Conexão com rede de fibras ópticas Kyatera (http://www.kyatera.fapesp.br/ )

Eletrônica e Opto-eletrônica

  • 1 analisador de espectro óptico HP 86145B
  • 1 analisador de espectro de RF HP8562A
  • 1 sintetizador de frequências HP8648B
  • 1 sintetizador de frequências HP8350B com plug-in HP83522A
  • 1 sweep sinthesizer (10 MHz-20 GHz) HP8341B
  • 1 analisador de rede (network analyzer) marca Stanford Research Systems, modelo SR780
  • 3 choppers ópticos marca Stanford Research Systems SR540
  • 2 wavemeters marca/modelo Burleigh WA-1000
  • 2 espectrômetros portáteis marca/modelo Ocean Optics, 400-1100 nm, 200 -850 nm
  • 3 fotomultiplicadoras Hamamatsu
  • 2 lock-ins marca/modelo Stanford Research Systems SR 530
  • 1 lock-in marca/modelo Stanford Research Systems, SR830
  • 1 lock-in marca/modelo Stanford Research Systems, SR844
  • 1 gerador de padrões de dados (data pattern generator) marca/modeloTektronix DG2020A
  • 1 receptor GPS geodésico marca Septemtrio
  • 1 padrão de frequência de rubídio, marca/modelo Stanford Research Instruments
  • 1 contador de fótons marca/modelo SR400
  • 1 gerador de pulsos Stanford Research Systems DG535
  • 1 gerador de funções Stanford Research Systems DS345
  • 1 fonte de alta tensão tensão (1250 V- 25 W) Stanford Research Systems PS310
  • 1 fotodetetor com largura de banda de 20 GHz, Newport
  • 1 fotodetetor com largura de banda de 6 GHz, New Focus
  • 1 fotodetetor com largura de banda de 1 GHz, New Focus
  • Fotodiodos Hamamatsu, largura de banda de 1.5 GHz
  • Fotodetetores amplificados construidos no grupo
  • Moduladores acusto-ópticos, marca 80 MHz, 260 Mhz
  • Moduladores eletro-ópticos , 12 Mhz, 10 Mhz, marcas New Focus, Gsanger,
  • 3 piezo drivers, com saída de 150 V, marca Thorlabs MDT694A
  • Fontes de corrente para diodo lasers, marca/modelo Thorlabs LDC240C
  • Controlador de temperature para diodo lasers, marca/modelo Thorlabs TED200
  • Antenas fotocondutivas para geração de pulsos de Terahertz (Gigaoptics)
  • Osciloscópios Tektronix TDS210
  • 2 computadores desktop Apple
  • 2 laptops Phillips
  • Software Labview

Vácuo

  • 4 estações de bombeamento com bombas turbo-moleculares, Balzers
  • 4 bombas de vácuo iônicas, Varian
  • 1 bomba de sublimação de titânio
  • 1 armadilha magneto-óptica, incluindo sistema de alto vácuo e lasers para aprisionamento de átomos de cálcio
  • Células de gás para espectroscopia: Rb, Cs, H2O, H2O2, CH4, NO2, CO2, C2H2

História do Grupo

O grupo surgiu por volta de 1973, quando suas pesquisas eram voltadas à separação de isótopos por meio de lasers, em colaboração com o Centro Técnico Aeroespacial (CTA) do Instituto Técnico de Aeronáutica (ITA), de São José dos Campos. Eram separados isótopos, por exemplo, de SF6, um passo importante na capacitação para enriquecimento a laser do urânio (que aparece na tecnologia nuclear como UF6). Isso era feito principalmente com lasers de CO2 pulsados e contínuos (também trabalharam com laser de N2 pulsado). Mas já naquela época o grupo já tinha também o perfil de instrumentação (construção de instrumentos científicos), que continuou por toda a sua história de forma integrada com as outras pesquisas.

Mais tarde, nos anos 1980, as investigações passaram a centrar-se na aplicação dos lasers principalmente para a pesquisa básica. Os principais objetivos do grupo eram a exploração da física atômica e molecular e a formação de recursos humanos.

Nos anos 80 e 90 houve bastante atividade com lasers de terahertz usando gases (methanol, ácido fórmico, etc) e bombeados por diversos tipos de lasers de CO2 (guias de onda, com isótopos diferentes).

Outros tipos de lasers adquiridos a partir dessa época foram os de argônio e os de corantes. Nos anos 90, consolidou-se no grupo o uso de lasers semicondutores, que são ferramentas importantes na espectroscopia de alta resolução.

A partir do ano 2000, o grupo implementou um aparato experimental para átomos ultrafrios e aprisionados, desenvolveu instrumentação associada (lasers de vários tipos, eletrônica de controle, sistemas de vácuo) e consolidou a infra-estrutura física de laboratórios (ver relação abaixo), hoje comparável à dos melhores no mundo.

O grupo mantém hoje colaborações com várias instituições no país e no exterior, incluindo o IPEN, USP, UFPE, Inmetro, o National Institute of Standards and Technology (NIST), a Universidade do Colorado e o JILA em Boulder (EUA), a Michigan State University, o Laboratoire Commun de Métrologie LNE-CNAM em Paris, e com a Universidade de Pisa, Itália.