Luce visibile inferiore a 20 femtosecondisorgente laser pulsata sintonizzabile
Di recente, un team di ricerca del Regno Unito ha pubblicato uno studio innovativo, annunciando di aver sviluppato con successo un sintonizzatore di luce visibile a livello di megawatt inferiore a 20 femtosecondi.sorgente laser pulsataQuesta sorgente laser pulsata, ultravelocelaser a fibraIl sistema è in grado di generare impulsi con lunghezze d'onda sintonizzabili, durate ultrabrevi, energie fino a 39 nanojoule e potenza di picco superiore a 2 megawatt, aprendo nuovissime prospettive applicative per campi quali la spettroscopia ultraveloce, l'imaging biologico e l'elaborazione industriale.
Il punto di forza di questa tecnologia risiede nella combinazione di due metodi all'avanguardia: l'amplificazione non lineare a guadagno gestito (GMNA) e l'emissione a onda dispersiva risonante (RDW). In passato, per ottenere impulsi ultrabrevi sintonizzabili ad alte prestazioni, erano solitamente necessari laser in titanio-zaffiro o amplificatori ottici parametrici costosi e complessi. Questi dispositivi non solo erano costosi, ingombranti e difficili da manutenere, ma erano anche limitati da basse frequenze di ripetizione e intervalli di sintonizzazione. La soluzione interamente in fibra sviluppata questa volta non solo semplifica significativamente l'architettura del sistema, ma riduce anche notevolmente costi e complessità. Consente la generazione diretta di impulsi ad alta potenza inferiori a 20 femtosecondi, sintonizzabili da 400 a 700 nanometri e oltre, a un'elevata frequenza di ripetizione di 4,8 MHz. Il team di ricerca ha raggiunto questo traguardo grazie a un'architettura di sistema progettata con precisione. In primo luogo, hanno utilizzato un oscillatore in fibra di itterbio mode-locked a completa conservazione della polarizzazione, basato su uno specchio ad anello di amplificazione non lineare (NALM), come sorgente seed. Questa progettazione non solo garantisce la stabilità a lungo termine del sistema, ma evita anche il problema di degradazione tipico degli assorbitori saturi fisici. Dopo la preamplificazione e la compressione degli impulsi, gli impulsi seed vengono introdotti nella fase GMNA. La GMNA utilizza l'automodulazione di fase e la distribuzione asimmetrica longitudinale del guadagno nelle fibre ottiche per ottenere un allargamento spettrale e generare impulsi ultracorti con un chirp lineare pressoché perfetto, che vengono infine compressi a meno di 40 femtosecondi attraverso coppie di reticoli. Durante la fase di generazione dell'RDW, i ricercatori hanno utilizzato fibre cave antirisonanza a nove risonatori, progettate e prodotte autonomamente. Questo tipo di fibra ottica presenta perdite estremamente basse nella banda degli impulsi di pompaggio e nella regione della luce visibile, consentendo di convertire efficacemente l'energia dalla pompa all'onda dispersa ed evitando l'interferenza causata dalla banda risonante ad alta perdita. In condizioni ottimali, l'energia dell'impulso d'onda di dispersione in uscita dal sistema può raggiungere i 39 nanojoule, la larghezza minima dell'impulso può raggiungere i 13 femtosecondi, la potenza di picco può raggiungere i 2,2 megawatt e l'efficienza di conversione energetica può arrivare fino al 13%. Ancora più interessante è il fatto che regolando la pressione del gas e i parametri della fibra, il sistema può essere facilmente esteso alle bande ultraviolette e infrarosse, ottenendo una sintonizzazione a banda larga dall'ultravioletto profondo all'infrarosso.
Questa ricerca non solo riveste un'importanza significativa nel campo fondamentale della fotonica, ma apre anche nuove prospettive per i settori industriali e applicativi. Ad esempio, in settori come l'imaging con microscopia multifotonica, la spettroscopia ultraveloce risolta nel tempo, la lavorazione dei materiali, la medicina di precisione e la ricerca sull'ottica non lineare ultraveloce, questo nuovo tipo di sorgente luminosa ultraveloce, compatto, efficiente ed economico, offrirà agli utenti strumenti e flessibilità senza precedenti. Soprattutto in scenari che richiedono elevate frequenze di ripetizione, potenza di picco e impulsi ultrabrevi, questa tecnologia è senza dubbio più competitiva e ha un maggiore potenziale di sviluppo rispetto ai tradizionali sistemi di amplificazione parametrica in titanio-zaffiro o ottica.
In futuro, il team di ricerca prevede di ottimizzare ulteriormente il sistema, ad esempio integrando l'architettura attuale, che contiene molteplici componenti ottici a spazio libero, in fibre ottiche, o persino utilizzando un singolo oscillatore Mamyshev per sostituire l'attuale combinazione oscillatore-amplificatore, al fine di raggiungere la miniaturizzazione e l'integrazione del sistema. Inoltre, adattandosi a diversi tipi di fibre antirisonanti, introducendo gas Raman attivi e moduli di raddoppio di frequenza, si prevede che questo sistema verrà esteso a una banda più ampia, fornendo soluzioni laser ultraveloci, a banda larga e interamente in fibra, per molteplici campi come l'ultravioletto, la luce visibile e l'infrarosso.
Figura 1. Diagramma schematico della messa a punto del laser pulsato
Data di pubblicazione: 28 maggio 2025