Estudos recentes apontam para uma classe de materiais inorgânicos que podem ser utilizados para gerar um novo tipo de laser denominado por Laser Aleatório – LA (Random Laser) e para geração de luz por processos ópticos não-lineares, tais como a geração do segundo-harmônico (GSH) e da soma-de-frequências (GSF), em um único material cristalino. Os resultados do trabalho, publicado recentemente na revista Scientific Reports, do grupo Nature, abrem uma nova perspectiva para a pesquisa de novas fontes de luz laser usando meios desordenados, com emissão desde o violeta ao infravermelho próximo.

As nanopartículas cristalinas utilizadas no estudo têm a composição Nd_0.04Y_0.96Al₃(BO₃)₄ – rotulada aqui por Nd:YAB. O YAB pertence à classe dos materiais com a estrutura cristalina do mineral CaMg₃(CO₃)₄ (huntite) que não é centro-simétrica e apresenta o grupo espacial R32 com rede hexagonal. Cristais de YAB têm propriedades ópticas não-lineares e apresentam amplo espectro de transmissão óptica, do infravermelho até a região do ultravioleta, possuindo o maior coeficiente óptico não-linear entre os boratos com a estrutura huntite. Monocristais de YAB dopados com íons de terras raras são excelentes candidatos para aplicações em lasers convencionais (lasers com cavidade óptica) e alguns trabalhos mostram que este material apresenta coeficiente óptico não-linear alto quando está dopado com neodímio, neodímio e lutécio ou itérbio. Em particular, o Nd:YAB é um forte candidato para ser utilizado como meio laser ativo com propriedades de auto-dobramento de frequência (self-frequency-doubling – SFD). Até então, ambas as propriedades de emissão laser e SFD haviam sido observadas em condições adequadas somente em monocristais de YAB na forma volumar (bulk), nunca em uma amostra nanoparticulada (pó com partículas de tamanho nanométrico).

Pós cristalinos de Nd:YAB com diâmetros das partículas variando de 20 a 600 nm, com máximo da distribuição de tamanho em ~173 nm foram usados nos experimentos. A concentração de Nd³⁺ foi determinada em ~2,2×10²⁰ ions/cm³ e os nanocristais foram preparados pelo método dos precursores poliméricos. Esse método permite reduzir a mobilidade dos cátions e os distribui homogeneamente numa cadeia polimérica, pelo forte envolvimento de complexos de quelatos metálicos. A redução da mobilidade dos cátions pode inibir a segregação de certos materiais durante o processo de decomposição do polímero em altas temperaturas, mantendo a matriz ou fase cristalina bastante uniforme.

A síntese dos pós de Nd:YAB pode ser feita utilizando-se o método Pechini, que é baseado na reação de desidratação de um ácido carboxílico e um álcool, ou seja uma reação de esterificação. A patente original do método Pechini menciona a formação de uma resina polimérica produzida através de reações de poliesterificação entre complexos de quelatos metálicos usando ácidos alfa-hidroxi-carboxílicos, ácidos cítrico e málico, e um poliálcool como o etilenoglicol. No método Pechini, o ácido cítrico é o agente quelante e o etilenoglicol é o agente polimerizante (estudos recentemente publicados, mostram que em materiais a base de boro, o etilenoglicol deve ser substituído por sorbitol, para evitar a perda de óxido de boro às temperaturas onde os pós cristalinos são formados). Para a obtenção dos nanocristais de Nd:YAB foram usados como fontes de metais nitratos hidratados de alumínio, ítrio e neodímio, além do ácido bórico.

No trabalho publicado no Scientific Reports foram analisados experimentalmente o processo de espalhamento múltiplo da luz que propicia a geração de LA no pó de Nd:YAB o qual, quando excitado por um laser convencional operando no comprimento de onda de 806 nm, emite várias frequências ópticas. Foi observada a emissão LA em 1062 nm, a GSH do laser de excitação, em 403 nm (luz violeta), e simultaneamente a SFD do LA que resulta na geração de luz verde em 531 nm e a auto-GSF em 459 nm (luz azul) devido à interação não-linear entre a emissão LA e o laser de excitação. Os resultados obtidos demonstram pela primeira vez a operação de um LA com múltiplos comprimentos de onda, obtidos via efeitos não-lineares em um pó cristalino.

Os processos não-lineares observados estão ilustrados na figura abaixo que mostra, da direita para a esquerda, o diagrama de níveis de energia do íons Nd³⁺ excitados em 806 nm e gerando a emissão LA em 1062 nm, a GSH do LA, a GSF devido ao LA e o feixe de excitação, e, por fim, a GSH do feixe de excitação.

A pesquisa foi realizada no Departamento de Física da UFPE e o grupo de pesquisadores foi formado pelos professores Cid B. de Araújo e Anderson S.L. Gomes da UFPE, Lauro J. Q. Maia da UFG, Vladimir Jerez da Universidad Santander e André L. Moura da UFAL.

Referência: Multi-wavelength emission through self-induced second-order wave-mixing processes from a Nd³⁺ doped crystalline powder random laser.A. L. Moura, V. Jerez, L. J. Q. Maia, A. S. L. Gomes, C. B. de Araújo. Scientific Reports, 2015, vol. 5, pp. 13816. DOI: 10.1038/srep13816.

O trabalho recebeu financiamento da CAPES, CNPq, FACEPE e FAPEG por meio dos projetos: PRONEX-CNPq/FACEPE, CNPq-INCT de Fotônica e CASADINHO/PROCAD-CNPq/CAPES.

[Divulgação do INCT de Fotônica]