Un direttore d’orchestra per i laser miniaturizzati


    Autori: Marco Leonetti1, Claudio Conti2, Cefe Lopez1.

    1Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC), Calle Sor Juana Inés de la Cruz 3, 28049 Madrid, Spain, 2Dep. Molecular Medicine and CNR-ISC Dep. Physics, University Sapienza, P.le Aldo Moro 5, I-00185, Rome, Italy.

    Abstract:

    Sarà ora possibile controllare i nanolaser grazie alla scoperta di una nuova proprietà fondamentale della luce: quella di auto sincronizzarsi in una struttura disordinata. Grazie alla scoperta di un meccanismo che permette di controllare la qualità della luce emessa da dispositivi laser grandi meno di pochi milionesimo di metro, sarà possibile ottenere nuove applicazioni per campi i campi più svariati: dalla chirurgia alla produzione di energia solare. Il tutto con un livello di miniaturizzazione di alcuni ordini di grandezza superiore al passato.

    Introduzione:

    La fotonica, che è la scienza che studia la luce, ha subito una delle sue più grandi rivoluzioni negli anni sessanta con l’invenzione del laser [1], uno strumento che permette di generare luce in maniera controllata, ovvero sotto forma di un fascio direzionale, monocromatico e coerente.

    Uno dei principali elementi del laser è il risonatore, ovvero una trappola disegnata per imprigionare la luce nella quale una singola frequenza (un singolo colore) viene selezionata per essere amplificata. Le comunità scientifiche di tutto il mondo hanno speso da allora grandi energie per ottenere la cavità perfetta, ovvero la cavità più piccola capace di trattenere la luce al suo interno il più a lungo possibile.

    Alla fine degli anni novanta è stato invece scoperto un nuovo fenomeno chiamato “Laser disordinato” (random laser per gli addetti ai lavori [2]). Nel random laser la cavità viene rimpiazzata in da una struttura composta da nanoparticelle arrangiate in maniera disordinata in cui la luce può vagare per tempi e spazi relativamente grandi.

    Nel random laser la singola cavità è rimpiazzata da un insieme di microcavità, e la luce rimane intrappolata simultaneamente in una o più di esse, generando così dei micro-laser che emettono a frequenze casuali.

    Un elemento fondamentale del random laser è il meccanismo con cui la luce viene immessa nelle micro-cavità. Una delle strategie più comuni è quella di utilizzare un secondo laser esterno alla matrice (detto laser di pompa) che invia un impulso ultra intenso sulla matrice.

    Marco Leonetti, Claudio Conti e Cefe Lopez, dell’istituto di scienze dei materiali di Madrid e dell’università della Sapienza di Roma sono autori di un recente lavoro [3] apparso su Nature Photonics, in cui hanno dimostrato come sia possibile raggiungere un superiore grado di controllo sull’emissione di un random laser utilizzando un moderno dispositivo chiamato modulatore spaziale di luce (spatial light modulator, SLM) che, permettendo un raffinato controllo sulla forma dell’impulso del laser di pompa, rende possibile selezionare il particolare insieme di microcavità che vengono attivate in un esperimento.

    Fig.1Fig. 1 - Un laser nanoassemblato illuminato dal laser di pompa.

    Figura - 1 - Un laser nanoassemblato illuminato dal laser di pompa. Le due ali, generano un flusso di emissione stimolata che arriva sulla matrice di biossido di titanio. Il flusso direzionale permette di selezionare solo i risonatori fortemente accoppiati con le direzioni d’arrivo scelte dall’utente.

    Il primo passo verso questo successo è stato la creazione di un random laser particolarmente avanzato ed innovativo.

    Il nuovo sistema consiste di una matrice (“cluster”) di nano particelle di biossido di titanio della grandezza di alcuni micron che si auto assembla in una soluzione liquida che contiene rodamina: il “mezzo attivo”. Il mezzo attivo è il secondo elemento fondamentale del laser: è il materiale a cui viene fornita l’energia che poi verrà “ordinata” dal risonatore che ne seleziona solo un “modo” ovvero una parte monocromatica e direzionale.

    Nel sistema disegnato da Leonetti et al. un singolo cluster di particelle si trova isolato in un “mare” di rodamina come mostrato nella figura 1. Questa particolare configurazione non solo permette di studiare ogni cluster singolarmente ma anche di “pompare” il campione in maniera innovativa.

    Come si vede in figura 1 infatti, oltre al cluster viene pompata anche un area che forma due “ali” triangolari che puntano al cluster.

    Queste sono fondamentali per la selezione dei risonatori poichè generano un flusso di emissione stimolata (ovvero luce con coerenza e monocromaticità parziale ma fortemente direzionale) che illumina il cluster attivando solo il sottoinsieme di modi che si accoppia (cioè che riceve la luce efficientemente) dalle direzioni selezionate.

    Fig.2Fig 2 i pochi risonatori eccitati sono rappresentati come raggi di luce localizzati in zone precise dell’insieme di particelle
    Fig.3Fig 3 il numero di risonanze che vengono attivate è molto grande

    Figure 2 e 3 - Immagini rappresentative del random laser nei due regimi. Nella figura 2 (in alto) i pochi risonatori eccitati sono rappresentati come raggi di luce localizzati in zone precise dell’insieme di particelle, emettendo quindi in un set chiaramente identificabile di frequenze. Nel secondo caso (figura 3 sotto) il numero di risonanze che vengono attivate è molto grande cosicché nello spettro la singola risonanza diviene indistinguibile.

    L’aspetto più interessante della ricerca portata avanti da Leonetti et al. risiede però nello studio dei random laser quando questi sono messi in condizione di interagire. Infatti, quando viene attivato un numero limitato di cavità trovandosi queste sparse in posizioni casuali della matrice disordinata il loro grado di interazione è basso a causa della loro distanza relativamente grande.

    Quando invece il numero di cavità attivato cresce, aumenta la probabilità che queste debbano condividere la stessa regione spaziale dando luogo ad un certo livello di interazione: i micro-laser possono scambiarsi energia.

    Si può arrivare ad ottenere un grado di interazione così forte che l’emissione dei singoli micro-risonatori diviene correlata e la durata dell’impulso emesso si accorcia. Leonetti et al. spiegano questo fenomeno come un caso di “sincronizzazione” (“mode-locking” [4]) in cui il campo elettromagnetico oscilla con uno “sfasamento” costante.

    Questo fenomeno è ben conosciuto nei laser ordinati che vengono costruiti appositamente per generare impulsi ultra corti dell’ordine del femtosecondo. Nel caso dei random laser il direttore d’orchestra che “ordina” le fasi generando un impulso sincronizzato è l’interazione.

    Il fatto che i micro-laser non abbiano bisogno di una struttura disegnata artificialmente ma che si possano sincronizzare in qualunque struttura disordinata, non solo apre nuove frontiere tecnologiche per quanto riguarda la possibilità di fabbricare nano-laser sempre più precisi e controllabili, ma anche nuove prospettive nello studio delle proprietà fondamentali della luce che dimostra di essere ancora più affascinante e complessa.

    Bibliografia:

    [1]: A.E. Siegman; “Lasers”; University Science books [2]: Diederik S. Wiersma; The physics and applications of random lasers; Nature Physics 4, 359-367 (2008) [3]: Marco Leonetti, Claudio Conti and Cefe Lopez; The mode-locking transition of random lasers; 5, 615–617 (2011) [4]: Haus, H. Mode-locking of lasers. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 6, 1173–1185 (2000).

    Sitografia:

    Photonic Crystals Group ICMM http://luxrerum.icmm.csic.es/

    ISC - CNR http://www.isc.cnr.it/



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