Quando si misura la durata dei fenomeni fisici ad alta velocità, un buon cronometro può solo portarti lontano, e mentre gli oscilloscopi possono captare segnali elettrici con frequenze di pochi GHz, misurare fenomeni ottici incredibilmente veloci richiede qualcosa di più:un sistema chiamato pettine di frequenza ottica. I laser normali sono sorgenti monocromatiche contenenti solo una singola frequenza di luce; in contrasto, i pettini di frequenza contengono molte frequenze, equidistanti nel dominio della frequenza, che assomigliano molto ai denti di un pettine. I pettini di frequenza sono ampiamente utilizzati come un tipo di "righello ottico" poiché possono misurare segnali rapidamente variabili interferendo i "denti" dei pettini di frequenza con il segnale che vogliono misurare, che di conseguenza converte quei segnali in segnali a radiofrequenza più gestibili.

Ricercatori dell'Unità Interazioni Luce-Materia presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, insieme ai collaboratori della Washington University, ha pubblicato un articolo di recente in Lettere di ottica in cui descrivono come hanno creato un pettine di frequenza nello spettro visibile. Hanno raggiunto questo obiettivo combinando un fenomeno noto come miscelazione a quattro onde con un basso costo, dispositivo a bassa potenza chiamato risonatore a microbolle (MBR). Gli MBR sono un tipo di risonatore sussurrante in modalità galleria (WGMR), e fino ad ora, solo pettini di frequenza a infrarossi sono stati prodotti direttamente utilizzando la miscelazione a quattro onde in WGMR. Spostare la lunghezza d'onda operativa di questi dispositivi nel regime visibile ha enormi vantaggi poiché spesso si cerca un "righello ottico" per la luce che può essere osservata dall'occhio umano. Il dispositivo MBR potrebbe essere molto utile nella scienza medica dove sono richieste misurazioni di frequenza ad alta precisione, come le scansioni TC mediche, dove i pettini di frequenza ottici sono un ottimo candidato. Attualmente i pettini a frequenza ottica vengono generati utilizzando potenti sistemi laser a femtosecondi che richiedono molto spazio e consumano molti watt di potenza, o utilizzando altri sistemi laser a modalità bloccata di grandi dimensioni. Il MBR proposto, in contrasto, ha una dimensione di micron e richiede solo un laser a bassa potenza per pompare il dispositivo poiché il volume ridotto del risonatore significa che piccole potenze di ingresso corrispondono a intensità di circolazione estremamente elevate, un requisito per il verificarsi di processi non lineari.

Una classica galleria di sussurri, il fenomeno che consente a questo dispositivo di funzionare, è un effetto acustico. La cupola della cattedrale di St. Paul a Londra è un famoso esempio di galleria sussurrante. In un recinto circolare, le onde sonore si propagano lungo le pareti interne con poca perdita, permettendo di sentire i sussurri mormorati vicino al muro a grande distanza lungo il muro. otticamente, i ricercatori replicano questo effetto facendo "rimbalzare" la luce lungo le pareti di una cavità circolare, in questo caso un risonatore a microbolle. Il gruppo è riuscito a fabbricare un risonatore a microbolle con uno spessore della parete di 1,4 micron, circa 60 volte più sottile di un capello umano, e un diametro complessivo di 120 micron. Utilizzando questo dispositivo, sono riusciti a produrre un pettine di frequenza ottica con una lunghezza d'onda rossa centrale di 765 nanometri, coincidendo esattamente con i risultati previsti.

Gli autori dell'articolo hanno creato MBR rastremando sottili capillari di vetro fino a poche decine di micron di diametro, bloccando una delle loro aperture e quindi pompando gas nei tubi. Riscaldare un'area del vetro utilizzando un laser CO2 forma una minuscola bolla a causa dell'equilibrio tra la pressione del gas all'interno del capillare e la tensione superficiale del vetro fuso, proprio come i soffiatori di vetro producono bellissimi vasi di vetro. A differenza dei tipici risonatori solidi senza pareti sottili, i ricercatori possono controllare con precisione lo spessore della parete consentendo un ulteriore grado di libertà. Questa differenza cruciale ha permesso ai ricercatori di sintonizzare la frequenza centrale del dispositivo sul regime visibile.

Dottor Yong Yang, l'autore principale di questo articolo, non vede l'ora di spingere i limiti del dispositivo con pareti di dimensioni ancora più sottili e spera di espandere la gamma di questo dispositivo per coprire eventualmente il divario tra la luce blu a lunghezza d'onda inferiore fino alla regione del vicino infrarosso. "Sono entusiasta del risonatore a microbolle poiché la sua geometria unica ci dà molto più controllo sulle proprietà dispersive e alla fine ci aiuterà a spingere ulteriormente i confini di questo dispositivo, " dice Yang. Alla fine, questo lavoro potrebbe fornire ai ricercatori uno strumento a basso costo, a bassa potenza e un'alternativa compatta ai pettini di frequenza oggi disponibili in commercio. Quale modo migliore per misurare la luce che usare la luce?