Presso l’Institut National de la Recherce Scientifique (INRS), di Quebec, Canada, è stato scoperto un metodo a basso costo per sintonizzare lo spettro di un laser sulla frequenza dell’infrarosso, una banda di grande interesse per molte applicazioni laser.
La ricerca è stata effettuata in collaborazione con gruppi di ricerca austriaci e russi, e i risultati sono stati pubblicati nella rivista ufficiale della Optical Society (OSA), Optica.
In questo settore, molte applicazioni laser acquisiscono un beneficio decisivo se la lunghezza d’onda del laser è localizzata, ed eventualmente sintonizzabile, nella regione dell’infrarosso.
Tuttavia, le attuali tecnologie laser ultraveloci ancora non hanno raggiunto questo obiettivo, e gli scienziati stanno esplorando diversi processi non lineari per spostare la lunghezza d’onda di emissione.
In particolare, l’Optical Parametric Amplifier (OPA) è stato finora l’unico strumento in grado di raggiungere questa finestra a infrarossi. I sistemi OPA, sebbene forniscano un ampio spettro di sintonizzazione, sono comunque molto complessi, spesso costituiti da più stadi, e molto costosi.
Luca Lazzari, uno dei ricercatori dell’INRS, ha dimostrato che è possibile ottenere una sintonizzazione a lunghezze d’onda ampie, con un sistema semplice e meno costoso: una fibra a nucleo cavo (capillare), riempita con azoto.
Inoltre, questo approccio fornisce, immediatamente, degli impulsi ottici più brevi rispetto a quelli del laser in ingresso e con una qualità spaziale più elevata.
I ricercatori hanno anche beneficiato dell’esperienza dell’INRS in questo settore, dal momento che il sistema specifico per allungare e trattenere tali fibre è commercializzato dalla start-up few-cycle.
Lase infrarosso: ampliamento asimmetrico dello spettro
Solitamente, le fibre a nucleo cavo vengono riempite con un gas monoatomico, come l’argon per esempio, in modo da ampliare simmetricamente lo spettro del laser e quindi ricompattarlo all’interno di un impulso ottico più breve.
Il gruppo di ricerca ha scoperto che, utilizzando un gas molecolare come l’azoto, è possibile realizzare l’ampliamento dello spettro, ma con una modalità inaspettata.
Riccardo Piccoli, il coordinatore della ricerca, afferma che invece di diffondersi simmetricamente, lo spettro è stato spostato verso le lunghezze d’onda dell’infrarosso, meno energetiche.
Questo spostamento di frequenza è il risultato della risposta non lineare associata alla rotazione delle molecole del gas e, pertanto, lo spostamento può essere facilmente controllato variando la pressione del gas (ovvero il numero delle molecole) nella fibra.
Una volta che il fascio viene ampliato verso l’infrarosso, i ricercatori filtrano lo spettro in uscita per mantenere esclusivamente la banda che interessa.
Con questo approccio, l’energia viene trasferita nel campo spettrale del vicino infrarosso, con un impulso tre volte più breve di quello in ingresso, senza nessun apparato complesso o un sistema integrativo che vada a comprimere l’impulso.
Una collaborazione internazionale per il laser infrarosso
La ricerca è stata condotta congiuntamente con scienziati austriaci e russi. Anche i ricercatori austriaci hanno utilizzato una fibra a nucleo cavo riempita con azoto, ma invece di filtrare lo spettro, lo hanno compresso con degli specchi in grado di regolare la fase dell’impulso ampliato.
In questo caso, lo spostamento complessivo verso l’infrarosso è stato meno evidente, ma è stato ottenuto un impulso più breve e più intenso, molto più adatto alla fisica dei campi forti e degli attosecondi.
Il team russo, guidato dal prof. Aleksei Zheltikov, si è focalizzato sullo sviluppo di un modello teorico per spiegare questi fenomeni ottici.
Integrando questi tre approcci, i ricercatoti sono riusciti a comprendere pienamente le complesse dinamiche che stanno alla base dei fenomeni ottici studiati, oltre che ottenere lo spostamento verso il rosso, utilizzando l’azoto e un’efficiente compressione dell’impulso nel campo dell’infrarosso.
Il team internazionale ritiene che il metodo possa soddisfare adeguatamente la crescente domanda di sorgenti ultraveloci a lunghezze d’onda ampie, nelle applicazioni laser a dei campi forti, a partire da sistemi di livello industriale meno costosi, basati sull’emergente tecnologia laser a itterbio.
