O analisador de espectro óptico Shimadzu está contribuindo para a pesquisa sobre ondas de terahertz, uma região do espectro eletromagnético pronta para desenvolvimento

Um dos frutos do intelecto humano tem sido a exploração das ondas eletromagnéticas. A luz e as ondas eletromagnéticas são, como o ar ao nosso redor, inesgotáveis. A humanidade, fascinada por essa maravilha, sistematizou seus princípios básicos por meio de repetidas experimentações e pesquisas. Como resultado, nossas vidas foram enriquecidas pela criação de uma variedade de ferramentas. Exemplos incluem imagens de raios X, fornos de micro-ondas e comunicação por fibra óptica, que utiliza a luz.

 

Um futuro em que a exploração de ondas de terahertz é buscada

À medida que as aplicações reais das ondas eletromagnéticas progridem, as ondas terahertz são a única região do espectro em que a implementação prática ainda não progrediu. As ondas terahertz situam-se numa faixa de frequência entre as ondas de luz e de rádio. Caracterizam-se pela combinação da sua retidão, como a dos feixes de laser, e da permeabilidade das ondas de rádio. No entanto, têm energia extremamente baixa para a luz e uma frequência muito alta para as ondas de rádio, o que as torna difíceis de gerar e de detetar. Consequentemente, os investigadores que estudam as ondas de luz e de rádio consideram esta região do espectro muito difícil de manusear.

A importância das ondas terahertz aumentou nos últimos anos, no entanto. A agora popular tecnologia 5G usa a faixa de frequência de ondas milimétricas, mas há o risco de que as comunicações fiquem sobrecarregadas no futuro devido ao aumento do tráfego de comunicações. A utilização da largura de banda de ondas terahertz de frequência ainda maior para a tecnologia 6G de próxima geração é atualmente um foco de atenção. A pesquisa está acelerando globalmente com o objetivo de colocar isso em prática. Além disso, as ondas terahertz têm a característica de penetrar papel, plástico, fibra e outras substâncias. No entanto, sua energia é menor em comparação com os raios ultravioleta e raios X e, portanto, têm efeito mínimo no corpo humano. Se as ondas terahertz forem usadas, elas simplificarão as verificações de segurança para pessoas e itens postais e, portanto, espera-se que sejam colocadas em uso prático no contraterrorismo, por exemplo.

Os analisadores de espectro óptico Shimadzu são utilizados no laboratório RIKEN, uma instalação de pesquisa global líder em ondas terahertz

Dr. Hiroaki Minamide, Diretor da Equipe de Pesquisa Tera-Fotônica,
Centro RIKEN de Fotônica Avançada, RIKEN

Hiroaki Minamide, do RIKEN*, continua sua pesquisa com o objetivo de fazer uso prático dessas ondas terahertz. Minamide iniciou suas pesquisas com ondas terahertz há 25 anos e descobriu um método eficiente para gerá-las, o que era difícil até hoje. Em setembro de 2024, ele conseguiu desenvolver uma fonte de ondas terahertz de alto brilho, pequena o suficiente para caber na palma da mão. Atualmente, ele continua com pesquisas adicionais com o objetivo de fazer uso prático disso.

* A RIKEN, uma Agência Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento, é a maior instituição de pesquisa abrangente do Japão, fundada em 1917.

Fonte portátil de ondas terahertz anunciada pela RIKEN em setembro de 2024 (foto fornecida pela RIKEN)

O analisador de espectro óptico Shimadzu SPG-V500 contribuiu para esta pesquisa. Analisadores de espectro óptico são instrumentos para analisar o comprimento de onda e a intensidade da luz. Geralmente, são usados para analisar fontes de laser em áreas como comunicações ópticas.

Analisador de espectro óptico SPG-V500 no laboratório da equipe de pesquisa tera-fotônica do RIKEN (Campus de Sendai)

Minamide observa que "aprendi que o comprimento de onda da luz poderia ser medido em tempo real com o Shimadzu SPG-V500 e, se fosse esse o caso, avanços na pesquisa poderiam ser antecipados".

A equipe de pesquisa em tera-fotônica liderada por Minamide estava em pleno desenvolvimento de um detector para uso simultâneo com a fonte. A detecção de um sinal específico é indispensável para verificar se ondas terahertz estão sendo geradas. No entanto, a equipe não conseguiu detectar esse sinal, apesar de seus esforços.

Se o sinal não puder ser detectado, a pesquisa não poderá avançar. Para isso, dois pesquisadores passaram vários meses realizando ajustes e medições repetidas, mas sem sucesso. Quando eu já estava perdendo o juízo, uma linha na proposta para o SPG-V500 que dizia "função de medição em tempo real" chamou minha atenção. Parecia que eu estava me agarrando a qualquer coisa, mas entrei em contato mesmo assim. Peguei emprestado um modelo de demonstração, tentei fazer ajustes e medições como de costume e fiquei surpreso. O sinal desejado foi encontrado. Pulei de alegria com todos no laboratório, gritando: "Conseguimos! Encontramos!"

O Dr. Hiroaki Minamide do RIKEN (centro) e os pesquisadores (na época) Dr. Deepika Yadav (atualmente residindo na Índia, na tela) e Dr. Yuma Takida (extrema esquerda) relembram o período em questão.

A equipe de desenvolvimento se orgulhava da alta resolução espectral e da tecnologia de medição em tempo real

Equipe de desenvolvimento do SPG-V500, da esquerda para a direita, Ryosuke Nishi, Tomoari Kobayashi, Hiroaki Nishihara e Ryoji Hiraoka (Grupo de Aplicações, Departamento de Dispositivos)

Instrumentos que medem "luz" também desempenharam um papel na pesquisa sobre ondas terahertz, um tipo de onda eletromagnética. Ninguém ficou mais surpreso com a notícia do que os desenvolvedores do SPG-V500. Ryoji Hiraoka, membro do grupo de desenvolvimento, refletiu: "Eu jamais imaginaria que o SPG-V500 desempenharia um papel na pesquisa sobre ondas terahertz."

Equipe de desenvolvimento Ryoji Hiraoka

A fonte de ondas terahertz desenvolvida pela Minamide utiliza um laser pulsado que gera instantaneamente pulsos com duração de um bilionésimo de segundo ou menos. Consequentemente, realizar medições com um analisador de espectro óptico de uso geral era difícil.

Hiraoka, que estava na equipe de desenvolvimento, disse que "o desenvolvimento do SPG-V500 partiu da ideia de criar um analisador de espectro óptico fácil de usar que pudesse contribuir para a pesquisa em laser. Há departamentos que realizam pesquisas em laser na Shimadzu e, quando os contatei, ouvi que estavam enfrentando uma série de dificuldades. Para resolvê-las, senti que era necessário um instrumento que pudesse fornecer simultaneamente alta resolução espectral e informações de comprimento de onda em uma determinada faixa, e foi assim que encontrei meu conceito de desenvolvimento."

Analisadores de espectro óptico de uso geral não conseguiam medir a luz gerada instantaneamente. O motivo é o método de medição, que envolve a varredura da luz ao longo de um período de tempo. Assim, com o SPG-V500, foi adotado um método de medição do tipo policromador, em vez de um método de varredura. O instrumento é equipado com um sensor de matriz (um conjunto de pequenos sensores), que permite obter informações de comprimento de onda em uma determinada faixa simultaneamente.

Ryosuke Nishi, equipe de desenvolvimento e vendas, responsável pelas melhorias do SPG-V500

Este método utiliza a tecnologia proprietária Shimadzu e também é eficaz para detectar ocorrências de saltos de modo (mudanças repentinas no comprimento de onda da luz), a principal causa do ruído do laser. Se o salto de modo pudesse ser suprimido, seria de se esperar que a qualidade das fontes de laser melhorasse, o que poderia ser útil em diversos campos de pesquisa sobre laser, não apenas envolvendo ondas terahertz. Gostaria de contribuir para uma revolução tecnológica em uma ampla gama de campos, incluindo técnicas de sensoriamento para veículos autônomos, bem como comunicações ópticas.

Da esquerda para a direita, Hiroaki Minamide e Yuma Takida, da RIKEN, e Ryoji Hiraoka, Satomi Sakamoto e Ryosuke Nishi, da Shimadzu Corporation. No centro, o analisador de espectro óptico SPG-V500.