Laser cria sua própria sombra em rubi com óptica não linear

Sombras são um efeito inevitável quando existem paredes opacas num Universo iluminado.

A luz se propaga: fótons seguem viagem até encontrarem algo que não permite a sua passagem. Esse bloqueio abre uma pequena região de escuridão - uma sombra - exatamente onde a iluminação foi impedida.

O que normalmente acontece quando dois feixes de luz se cruzam

Em condições comuns, fótons não interagem entre si; por isso, ondas de luz que se interceptam atravessam umas às outras sem qualquer obstáculo.

Ao cruzar dois feixes, eles tendem a passar como se nada estivesse no caminho - como quando você aponta o feixe de uma lanterna através do feixe de outra.

A “sombra” de um laser: o efeito contraintuitivo em rubi e óptica não linear

Mesmo assim, físicos acabam de observar algo bem incomum. Um laser, ao atravessar o material transparente adequado, pode induzir o meio ao redor a se comportar como opaco - quase como se o próprio feixe projetasse uma sombra.

Quando dois feixes de laser são cruzados da maneira exata, o feixe principal não consegue atravessar o feixe secundário. O resultado é uma faixa escurecida na luz que atinge a superfície do lado oposto.

"Nossa demonstração de um efeito óptico muito contraintuitivo nos convida a reconsiderar nossa noção de sombra", diz o físico Raphael Abrahão, do Brookhaven National Laboratory, nos EUA.

Abrahão e seus colegas decidiram explorar a possibilidade de um feixe de luz “fazer sombra” quase como um projeto paralelo. Eles vinham investigando como feixes se comportam quando entram em cena materiais não lineares - isto é, substâncias cuja resposta à luz não aumenta de forma proporcional, permitindo efeitos como amplificação, absorção, autofocalização e harmônicos (ou replicação de frequências).

Para preparar os testes, a equipe usava um software de modelagem 3D para gerar esquemas simples dos experimentos. No programa, o feixe de luz aparecia como um cilindro sólido que projetava uma sombra, o que os físicos acharam engraçado… até isso virar uma pista interessante.

"O que começou como uma conversa engraçada durante o almoço levou a uma discussão sobre a física dos lasers e a resposta óptica não linear dos materiais", afirma Abrahão. "A partir daí, decidimos conduzir um experimento para demonstrar a sombra de um feixe de laser."

Como o rubi é um material bastante usado em estudos de óptica não linear, os pesquisadores o escolheram como ponto de encontro para dois lasers: um azul e outro verde.

O laser azul foi direcionado para um lado do rubi; ele atravessava o cristal e criava um brilho intenso numa tela. Ao mesmo tempo, um feixe fino de laser verde era conduzido em direção perpendicular ao primeiro.

Onde a linha estreita de luz verde atingia as moléculas do rubi, ocorria uma dinâmica complexa: elétrons subiam e desciam entre estados de energia. Como consequência, a luz azul - de comprimento de onda um pouco mais curto - era “confundida” por esses elétrons em transição, e seu caminho através do material, que de outra forma seria translúcido, acabava bloqueado.

Assim, o feixe de laser verde passa a se comportar como se fosse um objeto: ele cria uma linha escura no feixe azul que chega à tela do outro lado do rubi.

Essa linha escurecida atendia a todos os requisitos para ser considerada uma sombra. Era visível a olho nu, acompanhava os contornos da tela sobre a qual era projetada e se deslocava junto com o feixe verde quando a fonte do laser era movida.

Por que isso importa e onde pode ser útil

"Essa descoberta amplia nossa compreensão das interações luz-matéria e abre novas possibilidades para utilizar a luz de maneiras que não havíamos considerado antes", diz Abrahão.

"Nossa compreensão das sombras se desenvolveu lado a lado com nossa compreensão da luz e da óptica. Esse novo resultado pode se mostrar útil em várias aplicações, como comutação óptica, dispositivos nos quais uma luz controla a presença de outra luz, ou tecnologias que exigem controle preciso da transmissão de luz, como lasers de alta potência."

A pesquisa foi aceita para publicação na Optica e pode ser encontrada, antes da publicação, no site arXiv.