Laboratório de bolso

Aumento da eficiência de laser aleatório abre caminho para a fabricação de microchips de baixo custo para exames médicos

Igor Zolnerkevic | Revista Pesquisa FAPESP – Quebrar recordes de eficiência energética na geração de feixes de laser está se tornando uma rotina para Niklaus Wetter, físico suíço que trabalha no Brasil desde 1988 e há três anos dirige o Centro de Lasers e Aplicações, do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), em São Paulo.

Em 2015, Wetter e o físico Alessandro Melo de Ana, da Universidade Nove de Julho, apresentaram na revista Optics Express uma nova configuração de lentes e espelhos para geradores de laser que usam cristais contendo o elemento químico neodímio. O artigo “Influence of pump bandwidth on the efficiency of side-pumped, double-beam mode-controlled lasers: Establishing a new record for Nd:YLiF 4 lasers using VBG” pode ser lido em https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-23-7-9379.

Com o novo arranjo, o dispositivo, um dos mais utilizados no mundo para fins industriais, médicos e de pesquisa, conseguiu aproveitar 60% da energia depositada em seu cristal para gerar luz laser, superando o recorde anterior de 50% para esse tipo de equipamento.

Agora, com a física brasileira Julia Giehl e o físico alemão Felix Butzbach, ambos ex-alunos do Ipen, e o físico espanhol Ernesto Jimenez-Villar, da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE), Wetter conseguiu um avanço ainda maior na eficiência energética de um tipo diferente de laser: o laser randômico ou aleatório, que ganhou a atenção de físicos e engenheiros nos últimos anos por ser de baixo custo e usar dispositivos muito pequenos (ver Pesquisa FAPESP nº 247). 

No lugar de um cristal, os equipamentos de laser aleatório produzem uma luz com características do laser convencional a partir de um líquido contendo partículas micro ou nanométricas em suspensão ou de uma mistura de partículas no estado sólido (na forma de um pó). O problema é que a eficiência desse tipo de laser costuma ser baixa. As soluções e misturas de partículas microscópicas convertem em laser no máximo 2% da energia que recebem na forma de luz.

Calculando detalhes de como o laser é gerado e amplificado à medida que a luz é refletida várias vezes pelas partículas, a equipe de Wetter descobriu como elevar a eficiência dessa conversão, que agora chegou a 60%. “Esse resultado é comparável ao dos melhores lasers de estado sólido [convencionais] disponíveis no mercado”, afirma Wetter.

O segredo, descobriram os pesquisadores, é misturar partículas de diferentes tamanhos. Nos experimentos, eles usaram grãos de um cristal com 54 micrômetros de diâmetro e grãos quase 10 vezes menores, de apenas 6 micrômetros. Na mistura, as partículas menores preencheram o espaço entre as maiores criando bolsões que aumentaram localmente em 30% o espalhamento da luz – a cada espalhamento mais energia é incorporada ao laser.

O resultado final é um aumento de 160% na potência do feixe de laser emitido. Esses resultados foram apresentados dia 31 de janeiro na Photonics West 2017, em São Francisco, Estados Unidos, a principal conferência de tecnologia laser no mundo. “Temos o recorde atual”, comemora Wetter.

No Ipen, o físico suíço sempre trabalhou na melhoria de fontes de laser de grande potência e precisão, produzidas em equipamentos que usam cristais de alta pureza e lentes e espelhos com polimento especial. São aparelhos de dezenas de milhares de dólares. Desde 2008, porém, seu laboratório persegue em paralelo outra linha de pesquisa: desenvolver melhorias em lasers aleatórios, cujo custo de produção, Wetter avalia, pode um dia chegar à casa dos centavos.

Sua motivação é o impacto tecnológico que os lasers aleatórios prometem produzir no desenvolvimento de laboratórios biomédicos compactos, portáteis e descartáveis, conhecidos pela expressão em inglês lab on a chip. São cartões feitos de vidro ou plástico que contêm uma espécie de encanamento microscópico: canais e reservatórios com milímetros a micrômetros de espessura que permitem o armazenamento, a passagem e a mistura de volumes ínfimos de líquidos. Os pesquisadores projetam essas redes de canais e reservatórios de forma a ser possível combinar amostras de sangue, saliva ou outros fluidos corporais com os reagentes químicos necessários para realizar exames laboratoriais.

Leia a íntegra da reportagem publicada na revista Pesquisa FAPESP em http://revistapesquisa.fapesp.br/2017/02/13/laboratorio-de-bolso-2/?cat=ciencia.