I fisici russi hanno sviluppato un metodo per restringere drasticamente lo spettro di emissione di un normale laser a diodi, come quello in un puntatore laser. Questo rende il loro dispositivo un utile sostituto per i laser a frequenza singola più complessi e costosi, consentendo la creazione di analizzatori chimici compatti che possono essere inseriti negli smartphone, lidar economici per auto a guida autonoma, nonché sistemi di monitoraggio della sicurezza e della salute strutturale sui ponti, gasdotti e altrove. Lo studio è stato pubblicato il 26 ottobre in Fotonica della natura ed è stato co-autore di ricercatori del Russian Quantum Center (RQC), l'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca (MIPT), Lomonosov Moscow State University (MSU), e Samsung R&D Institute Russia.

"Questo lavoro ha due risultati principali, ", ha detto l'autore principale del giornale, Direttore Scientifico RQC Michael Gorodetsky, che è anche un professore MSU. "Primo, serve a dimostrare che è possibile realizzare un laser a banda stretta economico che sia a frequenza singola ma altamente efficiente e compatto. In secondo luogo, lo stesso sistema, praticamente senza modifiche, può essere utilizzato per generare pettini di frequenza ottici. Può quindi essere il componente principale di un analizzatore chimico spettroscopico".

Le applicazioni dei laser sono molteplici. Tra questi ci sono la chirurgia laser dell'occhio, mirini laser e comunicazione in fibra ottica. Uno degli usi chiave dei laser è la spettroscopia, che misura l'esatta composizione chimica di qualsiasi cosa.

La cosiddetta tecnica del pettine a frequenza ottica è alla base della spettroscopia laser, pioniere dei premi Nobel 2005 per la fisica, John Hall dagli Stati Uniti e Theodor Hänsch dalla Germania. I due hanno sviluppato un dispositivo laser che genera radiazioni ottiche a 1 milione di frequenze estremamente stabili. La radiazione nel mezzo di guadagno di tali laser "rimbalza" tra gli specchi e alla fine viene emessa come un treno continuo di brevi impulsi di luce di un milione di colori diversi. Ogni impulso dura solo femtosecondi, milionesimi di miliardesimo di secondo. Lo spettro di emissione di un tale laser è costituito da un gran numero di righe spettrali strette uniformemente distanziate, i "denti" del pettine ottico.

Un pettine di frequenza laser ottico può essere utilizzato come "righello" per misurare con precisione la frequenza della luce e quindi effettuare misurazioni spettrometriche precise. Altre applicazioni includono la navigazione satellitare, trasferimento accurato dei dati temporali, e il metodo della velocità radiale per rilevare i pianeti extrasolari.

I ricercatori hanno trovato un modo più semplice per generare pettini di frequenza, che si basa su microrisonatori ottici. Si tratta di componenti trasparenti a forma di anello o disco. In virtù della non linearità del loro materiale, trasformano la radiazione laser della pompa in un pettine di frequenza, detto anche microcomb.

"I microrisonatori ottici con modalità galleria sussurrante sono stati proposti per la prima volta alla Facoltà di Fisica della MSU nel 1989. Offrono una combinazione unica di dimensioni submillimetriche e un fattore di qualità immensamente elevato, " ha spiegato il coautore dello studio, Il dottorando del MIPT Nikolay Pavlov. "I microrisonatori aprono la strada alla generazione di pettini ottici in uno spazio compatto e senza consumare molta energia."

Non è possibile utilizzare un laser qualsiasi per pompare pettini di frequenza ottica in un microrisonatore. Il laser deve essere potente e monocromatico. Quest'ultimo significa che la luce che emette deve cadere in una banda di frequenza molto stretta. I laser più comuni oggi sono i laser a diodi. Sebbene siano compatti e convenienti, in spettroscopia, mancano di dispositivi più complessi e costosi. Il motivo è che i laser a diodi non sono sufficientemente monocromatici:la radiazione che emettono viene "spalmata" su una banda di 10 nanometri.

"Per restringere la larghezza di riga di un laser a diodi, di solito è stabilizzato utilizzando un risonatore esterno o un reticolo di diffrazione, " ha spiegato Gorodetsky. "Questo riduce la larghezza di riga, ma il costo è una forte diminuzione della potenza, e il dispositivo non è più economico, né è compatto."

I ricercatori hanno trovato una soluzione semplice ed elegante al problema. Per rendere la luce laser più monocromatica, hanno usato gli stessi microrisonatori che generano pettini di frequenza ottica. In questo modo sono riusciti a mantenere quasi la stessa potenza e dimensione del laser (il microrisonatore ha un diametro di pochi millimetri), aumentando anche la monocromaticità di un fattore di quasi 1 miliardo. Questo è, la banda di trasmissione viene ridotta agli attometri, miliardesimi di miliardesimo di metro, e viene generato un pettine di frequenza ottico, se richiesto.

"Al momento, laser a diodi compatti ed economici sono disponibili per quasi l'intero spettro ottico, " ha aggiunto Pavlov. "Tuttavia, la loro larghezza di linea e stabilità naturali sono insufficienti per molti compiti potenziali. In questo documento, mostriamo che è possibile restringere efficacemente l'ampio spettro di potenti laser a diodi multifrequenza, quasi a costo zero per l'alimentazione. La tecnica che impieghiamo prevede l'utilizzo di un microrisonatore come risonatore esterno per bloccare la frequenza del diodo laser. In questo sistema, il microrisonatore può sia restringere la larghezza di linea che generare il pettine di frequenza ottica."

Il progetto proposto ha molte possibili applicazioni. Uno di questi è nelle telecomunicazioni, dove migliorerebbe notevolmente la banda passante delle reti in fibra ottica aumentando il numero di canali. Un'altra sfera che ne trarrebbe beneficio è la progettazione di sensori, come i riflettometri utilizzati come base dei sistemi di sicurezza e monitoraggio. Per esempio, se un cavo in fibra ottica corre lungo un ponte o un oleodotto, la luce nel cavo risponderà ai minimi disturbi o variazioni nella geometria dell'oggetto, individuare potenziali problemi.

I laser a frequenza singola possono essere utilizzati nei lidar, o radar ottici, che sono installati su auto a guida autonoma, tra gli altri usi. Finalmente, la tecnologia consente analizzatori altamente precisi, come quelli che misurano la composizione dell'aria o eseguono la diagnostica medica, che potrebbe essere integrato in smartphone o orologi.

"La domanda di tali laser sarebbe davvero alta, " disse Gorodeckij.

Il fisico ha anche sottolineato che tutti gli autori dell'articolo sono ricercatori russi, che è un'occasione abbastanza rara per le pubblicazioni in una rivista di così alto rango.