I laser a impulsi costruiti interamente su fibre ottiche sono sempre più utilizzati dall'industria. Gli scienziati ottici del Centro laser di Varsavia dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze e della Facoltà di fisica dell'Università di Varsavia hanno generato impulsi laser ultracorti in una fibra ottica con un metodo precedentemente considerato fisicamente impossibile. La loro soluzione non è solo utile, ma anche sorprendentemente semplice.

Un innovativo laser a fibra è stato sviluppato presso il Centro laser dell'Istituto di chimica fisica dell'Accademia polacca delle scienze (IPC PAS) e la Facoltà di fisica dell'Università di Varsavia. Utilizzando una soluzione semplice, gli scienziati ottici di Varsavia hanno "costretto" uno dei tipi di laser a fibra ottica a generare ultracorti, impulsi ad alta energia. Il nuovo laser è privo di parti esterne meccanicamente sensibili, che sembra essere particolarmente interessante per applicazioni future. L'invenzione accelera notevolmente la lavorazione dei materiali nelle macchine laser industriali.

"I laser a fibra possono essere costruiti in modo che tutti i processi importanti per la generazione e la formatura degli impulsi ultracorti avvengano nella fibra stessa. Tali dispositivi, senza componenti esterni meccanicamente sensibili, operare in modo molto stabile, e sono ideali per lavorare in condizioni difficili, " afferma il dottor Yuriy Stepanenko (IPC PAS).

L'azione del laser nella fibra porta alla generazione di un fascio luminoso continuo. Il rilascio di energia negli impulsi più brevi possibili è, però, molto più favorevole, poiché significa un grande aumento di potenza. Gli impulsi vengono generati nei laser a fibra tramite un sistema di assorbimento saturabile. Quando l'intensità della luce è bassa, l'assorbitore blocca la luce; quando è alto, l'assorbitore lo lascia passare. Poiché gli impulsi a femtosecondi hanno un'intensità maggiore di un raggio continuo, i parametri dell'assorbitore possono essere regolati in modo che ammetta solo impulsi.

"Fino ad ora, fogli di grafene, tra gli altri, sono stati usati come assorbitori saturabili, sotto forma di un sottile strato depositato sulla punta della fibra. Ma i diametri delle fibre ottiche sono dell'ordine di singoli micron. Anche una piccola quantità di energia racchiusa in una sezione così piccola ha una densità significativa per unità di area, che influiscono sulla durata dei materiali. Perciò, se si è tentato di aumentare la potenza degli impulsi a femtosecondi, il grafene sulla punta del connettore è stato distrutto. Altri assorbitori, come i nanotubi di carbonio, può anche subire un degrado, " spiega Jan Szczepanek, uno studente di dottorato della Facoltà di Fisica dell'Università di Varsavia.

Per generare impulsi a femtosecondi di maggiore energia nella fibra ottica, i fisici di Varsavia decisero di migliorare assorbitori saturabili di tipo diverso, attraverso l'uso intelligente di fenomeni ottici come effetti non lineari che causano una variazione dell'indice di rifrazione del vetro.

I campi elettrici e magnetici della luce di solito oscillano in modo casuale, direzioni reciprocamente perpendicolari. Quando i campi oscillano sempre sullo stesso piano, l'onda è detta linearmente polarizzata. In ottica classica, si presume che quando una tale onda passa attraverso un mezzo, sperimenta un indice di rifrazione costante, indipendentemente dall'intensità della luce. Nell'ottica non lineare questo è diverso:a un'intensità luminosa sufficientemente elevata, l'indice di rifrazione inizia ad aumentare leggermente.

Un assorbitore saturabile artificiale non lineare funziona come segue. All'ingresso, la luce polarizzata linearmente è suddivisa in un fascio a bassa intensità e un fascio ad alta intensità. Il mezzo dell'assorbitore può essere scelto affinché entrambi i fasci di luce sperimentino un indice di rifrazione leggermente diverso in modo che possano viaggiare a velocità (di fase) leggermente diverse. Per effetto della differenza di velocità, il piano di polarizzazione inizia a ruotare. All'uscita dell'assorbitore, è presente un filtro di polarizzazione che lascia passare solo onde oscillanti perpendicolarmente al piano di polarizzazione della luce in ingresso. Quando il laser funziona in modalità continua, la luce nel fascio è di intensità relativamente bassa, non si verifica una differenza di percorso ottico, la polarizzazione non cambia, e il filtro di uscita blocca la luce. Ad un'intensità sufficientemente elevata, tipico per impulsi a femtosecondi, la rotazione della polarizzazione fa passare l'impulso attraverso il polarizzatore.

Affinché l'assorbitore saturabile con rotazione di polarizzazione funzioni, la fibra deve avere indici di rifrazione diversi in direzioni diverse (quindi deve essere birifrangente), ed entrambi gli indici dovrebbero anche essere stabili. Il problema è che nelle normali fibre ottiche, la birifrangenza si verifica accidentalmente, per esempio. a causa dello stress causato dal tocco di un dito. I laser costruiti in questo modo sono estremamente sensibili ai fattori esterni. A sua volta, la birifrangenza delle fibre che preservano la polarizzazione è così grande che la luce si propaga in una sola direzione, e la costruzione di assorbitori saturabili artificiali diventa fisicamente impossibile.

"Le fibre ottiche birifrangenti che mantengono lo stato di polarizzazione della luce in entrata sono già in produzione. Siamo i primi a dimostrare come possono essere utilizzate per costruire un assorbitore saturabile:tagliamo la fibra ottica in segmenti di lunghezza adeguata e poi li ricollegaamo, ruotando ogni segmento successivo di 90 gradi rispetto al suo predecessore, " dice il dottorando Szczepanek.

"Rotazione significa che se in un segmento un impulso con, potremmo dire, la polarizzazione verticale viaggia lentamente, nel prossimo, correrà più veloce e raggiungerà il secondo impulso, polarizzato perpendicolarmente. Una semplice procedura ha quindi permesso di eliminare il principale ostacolo all'aumento dell'energia, questo è, la grande differenza di velocità tra impulsi di polarità diverse, tipico di tutte le fibre che preservano la polarizzazione, " spiega il dottor Stepanenko.

I segmenti più ruotati ci sono, migliore è la qualità degli impulsi generati nella fibra. Nel laser costruito nel laboratorio di Varsavia, l'assorbitore saturabile era costituito da una fibra con una lunghezza di circa 3 m, diviso in tre segmenti, e un polarizzatore filtrante. Il numero potenziale di segmenti ruotati può essere aumentato fino a una dozzina circa.

Il nuovo laser produce impulsi a femtosecondi di alta qualità, e la loro energia può essere fino a 1000 volte maggiore di quella tipica dei laser con assorbitori di materiale. Rispetto ai dispositivi con assorbitori artificiali, il laser realizzato dagli scienziati di Varsavia ha una costruzione molto più semplice e quindi la sua affidabilità è significativamente maggiore.