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Pesquisa financiada pelo Exército Americano abre caminho para lasers e comunicações aprimoradas

Novas pesquisas sobre fotônica abrem caminho para lasers aprimorados, computação de alta velocidade e comunicações ópticas para o Exército Americano.

A fotônica tem o potencial de transformar todos os tipos de dispositivos eletrônicos, armazenando e transmitindo informações na forma de luz, em vez de eletricidade.

Usar a velocidade da luz e a forma como as informações podem ser dispostas em camadas em suas várias propriedades físicas pode aumentar a velocidade da comunicação, reduzindo o desperdício de energia; no entanto, as fontes de luz, como os lasers, precisam ser menores, mais fortes e mais estáveis para isso, disseram os pesquisadores.

“O feixe de Laser Monomodo de Alta Potência é usado em uma ampla gama de aplicações que são importantes para o Exército Americano e ajudam a apoiar o soldado, incluindo comunicações ópticas, sensoriamento óptico e Detecção e Alcance de luz (Light Detecting And Ranging – LIDAR)”, disse o Dr. James Joseph, gerente de programa, ARO, elemento do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA, conhecido como DEVCOM, Laboratório de Pesquisa do Exército.

“Os resultados da pesquisa da UPenn marcam um passo significativo para a criação de fontes de laser mais eficientes e de campo”, destaca Dr. Joseph.

A maneira como as informações podem ser divididas em camadas com essa tecnologia também pode ter implicações importantes para computadores fotônicos e sistemas de comunicação.

Lasers de modo único

Para preservar as informações manipuladas por um dispositivo fotônico, seus lasers devem ser excepcionalmente estáveis e coerentes.

Os chamados lasers de modo único eliminam variações ruidosas em seus feixes e melhoram sua coerência, mas, como resultado, são mais escuros e menos potentes do que os lasers que contêm vários modos simultâneos.

Pesquisadores da Universidade da Pensilvânia e da Universidade Duke, com financiamento do Exército norte-americano, projetaram e construíram matrizes bidimensionais de micro-lasers compactados que têm a estabilidade de um único micro-laser, mas podem, coletivamente, atingir ordens de densidade de potência de magnitude mais alta.

Os estudiosos publicaram um estudo na revista científica Science demonstrando o arranjo de micro-laser super-simétrico.

Robôs e veículos autônomos que usam LiDAR para detecção e alcance óptico, técnicas de manufatura e processamento de materiais que usam lasers, são algumas das muitas outras aplicações potenciais desta pesquisa.

“Um método aparentemente simples para obter um laser monomodo de alta potência é acoplar vários lasers monomodo idênticos para formar uma matriz de laser”, disse o Dr. Liang Feng, professor associado dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Elétrica e de Sistemas na Universidade da Pensilvânia.

“Intuitivamente, esse conjunto de laser teria um poder de emissão aprimorado, mas devido à natureza da complexidade associada a um sistema acoplado, ele também teria vários supermodos. Infelizmente, a competição entre os modos torna a matriz de laser menos coerente”, salientou Dr. Feng.

O acoplamento de dois lasers produz dois supermodos, mas esse número aumenta quadraticamente à medida que os lasers são dispostos nas grades bidimensionais voltadas para sensoriamento fotônico e aplicações de LiDAR.

“A operação de modo único é crítica porque a radiância e o brilho do conjunto de laser aumentam com o número de lasers apenas se todos estiverem bloqueados por fase em um único supermodo”, disse Xingdu Qiao, candidato a doutorado na Universidade da Pensilvânia.

Ainda de acordo com Qiao, “inspirados pelo conceito de supersimetria da física, podemos alcançar esse tipo de lasing monomodo com bloqueio de fase em uma matriz de laser adicionando um super-arranjo dissipativo”.

Na física de partículas, a supersimetria é a teoria de que todas as partículas elementares das duas classes principais, bósons e férmions, têm um super-arranjo ainda não descoberto na outra classe. As ferramentas matemáticas que prevêem as propriedades do super-arranjo hipotético de cada partícula também podem ser aplicadas às propriedades dos lasers.

Em comparação com as partículas elementares, fabricar um super-arranjo de um único micro-laser é relativamente simples.

A complexidade está na adaptação das transformações matemáticas da supersimetria para produzir uma matriz inteira de super-arranjos que tem os níveis de energia corretos para cancelar tudo, exceto o modo único desejado do original.

Antes dessa pesquisa, os arranjos de laser super-arranjos só podiam ser unidimensionais, com cada um dos elementos do laser alinhados em uma fileira.

Ao resolver as relações matemáticas que governam as direções nas quais os elementos individuais se acoplam, este novo estudo demonstra uma matriz com cinco linhas e cinco colunas de micro-lasers.

O estudo também mostra que a técnica é compatível com as pesquisas anteriores da equipe sobre lasers de vórtice, que podem controlar com precisão o momento angular orbital, ou como um feixe de laser gira em torno de seu eixo de viagem.

A capacidade de manipular essa propriedade da luz pode permitir sistemas fotônicos codificados em densidades ainda mais altas do que se imaginava anteriormente.

DEVCOM, Army Research Laboratory, U.S. Army Combat Capabilities Development Command, Exército Americano, via Redação Área Militar


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