Un curso lleva a São Paulo los avances en el uso de láseres

Un evento realizado con el apoyo de la FAPESP tuvo entre sus objetivos la consolidación en Brasil del área de fotónica avanzada, cuyo mercado mundial mueve más de 500 mil millones de dólares

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los avances en el área de la óptica han sido tan rápidos y con resultados tan sorprendentes que incluso excelentes alumnos de maestría o de doctorado difícilmente tienen idea de lo que está ocurriendo en la línea de frente de su campo de estudio.

Éste fue el pensamiento que motivó la realización de la Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada en Fronteras de Láseres y sus Aplicaciones, que tuvo lugar entre los días 16 y 27 de julio en el Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, por sus siglas en portugués), en São Paulo, Brasil.

Dicha Escuela, coordinada por Niklaus Ursus Wetter, investigador titular del Ipen y docente de posgrado de la Universidad de São Paulo (USP), contó con el apoyo de la FAPESP en la modalidad Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada (ESPCA) y reunió a algunos de los más renombrados científicos del área y a estudiantes de posgrado de distintas partes del mundo.

“Esperamos que este encuentro ayude a consolidar en Brasil el área de fotónica avanzada, cuyo mercado mueve actualmente 530 mil millones de dólares en el mundo”, declaró Wetter a Agência FAPESP.

“Trajimos a investigadores líderes en sus respectivas áreas para comunicarles a los alumnos el estado del arte en los distintos campos de la óptica, desde la ciencia básica hasta sus múltiples aplicaciones”, dijo.

Este objetivo abarca los procesos de generación, amplificación, modulación, emisión, transmisión, detección y procesamiento de la luz. Y aplicaciones que van desde el monitoreo ambiental y la tecnología aeroespacial y el nanomecanizado hasta la medicina. La formación de los científicos, la creación de empresas y la innovación en el área constituyen consecuencias deseables a mediano plazo.

La FAPESP ha invertido fuertemente en investigaciones y en la creación de facilities en el área. El director científico de la Fundación, Carlos Henrique de Brito Cruz, participó en la apertura de la ESPCA en el Ipen, y disertó ante los investigadores y estudiantes presentes sobre las modalidades de apoyo que les ofrece la institución a quienes buscan oportunidades de estudio y de hacer carrera en el estado de São Paulo.

Una subárea sumamente valorada en el evento es la de los láseres ultrafast (láseres ultrarrápidos). Dichos dispositivos se han convertido en grandes objetos de interés debido a su capacidad para producir los fenómenos más cortos y más potentes que la humanidad haya creado.

“El término ultrafast hace referencia a la duración temporal de los pulsos del láser. Hoy en día, llegamos como rutina a pulsos con duraciones del orden de los cinco femtosegundos (5x10^-15 s), que corresponden a cinco milésimas de billonésimas de segundo. Pero ya se han obtenido pulsos con duraciones de entre uno y dos órdenes de magnitud menores, entre 10^-16 s y 10^-17 s. De este modo, al operar un láser con una energía por pulso de un milijulio (1 mJ), que no es mucho, y comprimiendo esa energía en un lapso de tiempo de cinco femtosegundos, somos capaces de crear potencias de 10¹⁹ W en el foco del láser. Esto equivale a una potencia 10 millones de veces mayor que la que son capaces de generar todas las centrales de energía del mundo juntas”, explicó Wetter.

El artefacto capaz de viabilizar ese nivel de potencia no es un dispositivo gigantesco como el LHC (el Large Hadrons Collider – Gran Colisionador de Hadrones), instalado en la frontera franco-suiza, sino uno que puede instalarse en un banco del laboratorio.

“Los láseres ultrafast permiten alcanzar potencias de tal magnitud y, con un poco más, sería posible crear materia de manera controlada. Al enfocar el láser en el vacío, podríamos separar el vacío en electrones y positrones, por ejemplo. Es como si volviésemos a aquello que sucedió una fracción de segundo después del Big Bang”, dijo el investigador.

Esos láseres de altísima potencia son tenidos como potenciales fuentes de haces de protones, cuyo uso en el tratamiento del cáncer ha venido aumentando significativamente.

Lo nuevo –enfatizó Wetter– es aquello que puede hacerse actualmente con eso. “Una aplicación es la generación de niveles de tiempo y de frecuencia tres órdenes de magnitud más precisos que aquéllos que permiten los relojes atómicos. Logramos definir el tiempo de un segundo con una precisión de 18 dígitos”, dijo.

Láseres aleatorios

Otra aplicación derivada de la interacción de los láseres ultrarrápidos con la materia la constituyen las ablaciones multifotónicas. Este proceso no térmico permite efectuar cortes de altísima precisión, con resoluciones de orden de centenas de nanómetros, sin transformar el material.

En los cortes convencionales, el proceso siempre calienta el material y hace que éste cambie de propiedades en los bordes de la escisión. Con los láseres ultrarrápidos se puede cortar de manera tal que el material mantenga todas las propiedades de interés intactas.

En sus diversas modalidades, los láseres se convierten en herramientas de aplicación tecnológica casi ilimitada: desde la modificación de estructuras metálicas –al crear materiales altamente repelentes a los líquidos o, al contrario, capaces de retener aceite en microcavidades, eliminando prácticamente el rozamiento y el desgaste de las piezas– hasta la prospección tridimensional de aerosoles contaminantes en zonas de kilómetros de extensión.

“Un área novísima e interesantísima es la de los láseres aleatorios, que permiten estudiar la propagación de la luz en medios difusos, en una pastilla de aspirina, por ejemplo. Este fenómeno permite tanto la investigación del propio material mediante el análisis de la fracción luminosa que vuelve como la obtención de nuevos efectos ópticos como el aprisionamiento de la luz, en el cual el haz luminoso queda sujeto en el interior del material por tiempo indeterminado”, declaró Wetter a Agência FAPESP.

Otra área nueva es la de la estructuración de los haces de láseres, que consiste en dotar de un momento angular a los fotones, de modo tal que giren hacia un lado o hacia el otro en trayectorias circulares, triangulares, cuadradas, hexagonales, etc. Al interactuar con la materia, esos haces permiten construir metamateriales con propiedades ópticas notables, tales como la refracción negativa o la invisibilidad.

Expertos que operan con éstos y otros fenómenos en centros avanzados del mundo participaron en la Escuela São Paulo de Ciencia Avanzada en Fronteras de Láseres y sus Aplicaciones.

Provenientes del exterior, estuvieron presentes en el evento Cefe Lopez, del Instituto de Ciencia de Materiales, de España; John Girkin, de la Durham University, del Reino Unido; Jorge Rocca, de la Colorado State University, de Estados Unidos; Rui Vilar, del Instituto Superior Técnico, de Portugal; Takashige Omatsu, de la Chiba University, de Japón; Thomas Südmeyer, de la Université de Neuchâtel, de Suiza, y Volker Freudenthaler, de la Ludwig-Maximilians-Universität, de Alemania.