Un nuovo dispositivo progettato dal professore di ottica Chunlei Guo e dal dottorando Billy Lam è un "rivoluzionario passo avanti" per caratterizzare le proprietà dei raggi laser in un modo molto più affidabile e potente rispetto ai tradizionali interferometri. Credito:J. Adam Fenster/Università di Rochester
Se vuoi ottenere il massimo beneficio da un raggio di luce, sia per rilevare un pianeta lontano che per rimediare a un'aberrazione nell'occhio umano, devi essere in grado di misurare le informazioni sul fronte del raggio.
Ora un team di ricerca dell'Università di Rochester ha ideato un modo molto più semplice per misurare i fasci di luce, anche potenti, fasci laser pulsati superveloci che richiedono dispositivi molto complicati per caratterizzare le loro proprietà.
Il nuovo dispositivo offrirà agli scienziati una capacità senza precedenti di mettere a punto anche gli impulsi di luce più rapidi per una serie di applicazioni, dice Chunlei Guo, professore di ottica, che ha utilizzato raggi laser pulsati a femtosecondi per trattare le superfici metalliche in modi straordinari. E potrebbe rendere obsoleti gli strumenti tradizionali per la misurazione dei fasci luminosi.
"Questo è un passo avanti rivoluzionario, " dice Guo. "In passato abbiamo dovuto caratterizzare i fasci di luce con fasci di luce molto complicati, dispositivi interferometrici ingombranti, ma ora possiamo farlo con un solo cubo ottico. è super compatto, super affidabile, e super robusto."
Il dispositivo, sviluppato da Guo e Billy Lam, un dottorato di ricerca studente nel suo laboratorio, è descritto in Luce della natura:scienza e applicazioni . Chiamato interferometro a taglio inverso incuneato, è costituito da un cubo prisma, assemblato da due prismi ad angolo retto.
-Il cubo ha due ingressi angolati e divide il raggio in due parti.
Quando il raggio esce dal cubo, la luce riflessa dalla porzione sinistra del fascio e la luce trasmessa dalla porzione destra del fascio sono emesse da una faccia del cubo. Al contrario, la luce trasmessa dalla porzione sinistra del fascio e la luce riflessa dalla porzione destra sono emesse da un'altra faccia del cubo.
Questo crea un modello di "Interferenza" estremamente stabile per Guo e il suo team per misurare tutte le caratteristiche spaziali chiave di un raggio di luce:la sua ampiezza, fase, polarizzazione, lunghezza d'onda, e, nel caso di fasci pulsati, la durata degli impulsi. E non solo come media lungo l'intera trave, ma in ogni punto del raggio.
Ciò è particolarmente importante nelle applicazioni di imaging, dice Guo. "Se un raggio non è perfetto, e c'è un difetto sull'immagine, è importante sapere che il difetto è dovuto al raggio, e non a causa di una variazione nell'oggetto che stai immaginando, " dice Guo.
A sinistra è il design di base di un interferometro tradizionale, e a destra il design più compatto dell'interferometro creato nel laboratorio del professore di ottica Chunlei Guo. Questo nuovo interferometro a taglio di inversione a cuneo ha il vantaggio aggiuntivo di poter misurare le informazioni sul fronte del raggio o il fronte d'onda di potenti, raggi laser pulsati superveloci, Credito:illustrazione dell'Università di Rochester / Michael Osadciw
"Idealmente, dovresti avere un raggio perfetto per fare l'imaging. E se non lo fai, è meglio che tu lo sappia, e poi puoi correggere le tue misure. I laser ultraveloci sono fondamentali per la registrazione di processi dinamici, e avere un dispositivo estremamente semplice ma robusto per caratterizzare ultraveloci o qualsiasi tipo di raggio laser è sicuramente importante."
Albert Michaelson dimostrò il primo interferometro nel 1880, utilizzando un divisore di raggio e due specchi. I principi fondamentali rimangono gli stessi negli interferometri utilizzati oggi.
Il divisore di fascio invia la luce divisa su diversi percorsi ottici verso gli specchi. Gli specchi riflettono quindi ogni raggio diviso in modo che si ricombinano al divisore del raggio. I diversi percorsi seguiti dai due fasci divisi provocano una differenza di fase che crea uno schema di frange di interferenza. Questo modello viene quindi analizzato da un rilevatore per valutare le caratteristiche dell'onda.
Questo approccio ha funzionato abbastanza bene per caratterizzare i raggi laser ad onda continua perché hanno un lungo tempo di "coerenza", permettendo loro di interferire anche dopo essere stati divisi, inviato lungo due percorsi di diversa lunghezza, e poi ricombinato, dice Guo.
Però, data la breve durata di un raggio laser pulsato a femtosecondi - circa un milionesimo di miliardesimo di secondo - Interferometro semplice come la piastra di taglio, dove i raggi riflessi dalla superficie anteriore e posteriore interferiscono, non funziona più." Dice Guo. I raggi laser pulsati a femtosecondi perderebbero rapidamente la loro coerenza lungo percorsi non equidistanti di un tipico interferometro.
Il cubo del prisma è progettato in modo tale da eliminare quel problema, lui dice. Il cubo prisma è il primo interferometro a elemento singolo in grado di caratterizzare impulsi laser a femtosecondi o anche più brevi.
Gli impulsi laser a femtosecondi offrono due vantaggi. La loro durata incredibilmente breve è paragonabile ai tempi in cui "moltissimi processi fondamentali in natura si verificano, " dice Guo. Questi processi includono un elettrone che si muove attorno al nucleo di un atomo, la vibrazione "reticolo" di atomi e molecole, e lo sviluppo di proteine biologiche. Così, Gli impulsi a femtosecondi forniscono ai ricercatori uno strumento per studiare e manipolare tali processi.
Anche gli impulsi laser a femtosecondi sono incredibilmente potenti. "La potenza di picco di un impulso laser a femtosecondi nel mio laboratorio è equivalente all'intera rete elettrica nordamericana, " dice Guo. Ciò consente al suo laboratorio di utilizzare gli impulsi laser per incidere superfici metalliche con nuove proprietà, così diventano super idrorepellenti o attraggono l'acqua.
