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Artigo de Acadêmicos da Física da UFPE na Nature Communications

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Publicado em 7/06/2017

O laser aleatório de fibra e os elementos básicos para observação de turbulência

Trabalho teórico e experimental, desenvolvido no Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco (UFPE) e publicado no dia 31 de maio na revista Nature Communications, abre novas perspectivas para o estudo e o entendimento de fenômenos de turbulência em dispositivos óticos e outros sistemas complexos. Intitulada “Turbulence hierarchy in a random fibre laser”, a pesquisa é assinada pelo Acadêmico Anderson Gomes e os ex-membros afiliados à ABC Ernesto Raposo (2012-2017) e Leonardo Menezes (2009-2014).

Segundo os pesquisadores, turbulência é um fenômeno complexo que se manifesta em uma grande variedade de sistemas físicos, de fluidos a condensados de Bose-Einstein até a flutuações no mercado financeiro. Recentemente, efeitos de turbulência também foram observados em certos tipos de lasers, conhecidos como lasers aleatórios, mas a origem da turbulência nesses casos não é bem compreendida.

Os físicos e coautores do estudo explicam que lasers aleatórios são um tipo especial de lasers em que o mecanismo de realimentação necessário para a emissão laser provém de sucessivos espalhamentos da luz pelas impurezas implantadas na fibra. "Em um laser convencional, a realimentação advém da cavidade ótica formada por dois espelhos. Ao contrário de um laser convencional, em que a intensidade da luz emitida é praticamente constante, nos lasers aleatórios a intensidade da emissão varia de maneira irregular e imprevisível, semelhante ao que acontece com as flutuações de velocidade em um fluido turbulento", afirmam.

"Em um escoamento turbulento, a energia injetada no fluido gera, inicialmente, grandes redemoinhos, que em seguida se partem em redemoinhos menores, os quais por sua vez dão origem a redemoinhos ainda menores, e, assim sucessivamente, até serem dissipados por forças viscosas. Essa hierarquia de redemoinhos, ou ’cascata de energia’, leva a um movimento caótico e desordenado do fluido, caracterizado por grandes flutuações temporais e espaciais na velocidade do fluido", esclarecem os professores da UFPE.

No estudo, um grande número de dados experimentais da emissão de um laser aleatório de fibra de érbio, obtido no laboratório do Acadêmico Anderson Gomes, foi analisado a partir de um modelo hierárquico de turbulência desenvolvido pelos professores Giovani Vasconcelos e Antônio Macêdo. Além dos ex-membros afiliados da ABC, Ernesto Raposo e Leonardo Menezes, participaram do estudo alunos de doutorado e mestrado do Departamento de Física da UFPE.

Os autores mostraram que a estatística das flutuações de intensidade do laser aleatório exibe três comportamentos distintos: um regime gaussiano abaixo do limiar de emissão laser, uma mistura de duas distribuições com decaimento ou cauda exponencial próximo do limiar, e uma mistura de distribuições com caudas do tipo exponencial esticada acima do limiar. "Todas as distribuições empíricas foram bem descritas pelo modelo hierárquico, que incorpora de maneira unificada os efeitos de cascata de energia e intermitência característicos do estado turbulento", dizem os cientistas.

Segundo os pesquisadores, o estudo sugere que a origem física da turbulência em lasers aleatórios pode estar na formação de uma hierarquia de estruturas dinâmicas no interior da fibra, consistindo de grupos correlacionados de centros espalhadores, que seriam o equivalente dos “redemoinhos” na turbulência clássica. Na ilustração acima, há a descrição do laser aleatório de fibra e os ingredientes essenciais do experimento para observação de turbulência. Um laser de bombeamento (à esquerda) excita íons de érbio no núcleo da fibra, no qual está inscrita uma rede de Bragg aleatória. As flutuações de intensidade da luz emitida (à direita) pelo laser aleatório de fibra são analisadas, e o comportamento turbulento é observado acima do limiar de emissão laser.

O artigo completo publicado na Nature Communications pode ser acessado aqui.


(Ascom ABC)


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