I laser hanno una capacità unica di guidare con precisione, manipolare, controllo, e sondare la materia utilizzando un'incredibile varietà di metodi. Anche se spesso operano dietro le quinte, i laser sono la spina dorsale della scienza e della tecnologia rivoluzionarie, compresi i progressi della ricerca che sono stati la base per il Premio Nobel per la Fisica 2018.

Una nuova architettura laser chiamata modulatore di luce universale, un nuovo intrigante strumento per sondare e controllare la materia, sarà presentato durante il Congresso Laser della Optical Society (OSA), 4-8 novembre, a Boston. È stato sviluppato dal ricercatore principale Sergio Carbajo e dal ricercatore associato Wei Liu, entrambi con lo SLAC National Accelerator Laboratory e la Stanford University.

Luce coerente, come quello di un laser, può incarnare una struttura molto più complessa e sofisticata nella distribuzione elettromagnetica o di intensità. "Alcuni esempi sono raggi vettoriali cilindrici, o stravaganti distribuzioni di intensità 3-D che possono assomigliare, ad esempio, un cono di cialda o un filtro ottico, " disse Carbajo.

A causa di queste caratteristiche, il modulatore di luce universale è pronto ad aprire nuove frontiere scientifiche e tecnologiche. Il problema è che sfruttare la capacità di ingegnerizzare o programmare strutture leggere complesse è difficile perché non ci sono molte opzioni affidabili disponibili per generare quella struttura, disse Carbajo.

"Attualmente, questo viene fatto principalmente da dispositivi esterni come i modulatori di luce spaziale comunemente usati nei proiettori, ma hanno tutti limiti di potenza media e potenza di picco, " ha detto Carbajo. "Questi dispositivi possono bruciare facilmente e non possono raggiungere applicazioni che richiedono livelli di potenza sostanziali."

Il lavoro del gruppo Carbajo aggira questa limitazione di potenza pur mantenendo la capacità di generare qualsiasi struttura di luce arbitraria. Hanno incorporato la capacità di programmare i raggi nell'architettura laser stessa. Questo collega il meglio di due mondi:il ridimensionamento della potenza e la struttura leggera.

"I nostri impulsi luminosi programmabili sono realizzati con fasci compositi, " ha spiegato Carbajo. "Immagina un raggio laser fatto di molti piccoli fasci a nido d'ape, ciascuno dei quali è controllato in modo indipendente, anche se sono tutti coerenti l'uno rispetto all'altro. Possono 'comunicare' tra loro e 'conoscere' lo stato dell'altro e la loro rispettiva relazione. Quando tutti i beamlet sono sincronizzati, possono generare collettivamente qualsiasi struttura. L'avvertenza qui è che questa struttura è resa discreta dal numero di travi".

Questa architettura programmabile è particolarmente significativa all'interno del regime ultracorto (femtosecondi e più brevi) perché può ispirare nuovi modi di pensare la luce con strutture complesse in grado di guidare gli sforzi scientifici e tecnologici. Le potenziali nuove applicazioni includono le telecomunicazioni in fibra ottica, micro-nano lavorazione e produzione additiva, intrappolamento ottico, e scienze dei protoni ultraveloci. "Può essere un punto di svolta in quasi tutte le applicazioni di fotonica che richiedono un'elevata potenza, " disse Carbajo.

I ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory sono interessati a utilizzare queste sorgenti luminose per personalizzare e manipolare i fasci di elettroni che si propagano alla velocità della luce. "Facendo così, possiamo generare nuovi tipi di sorgenti di elettroni e raggi X in modo da poter imprimere la struttura della luce sull'elettrone o sui raggi X", ha affermato. "Questi possono poi diventare essi stessi strumenti scientifici avanzati perché i fasci di elettroni e i raggi X erediterà la struttura dai fotoni ottici."

Prossimo, il gruppo vuole esplorare diversi sforzi paralleli. "Il primo percorso ovvio è aggiungere più beamlet, che è richiesto da un sottoinsieme di potenziali applicazioni, " disse Carbajo. "Molti, però, non hanno bisogno di più di pochi beamlet. Nel nostro caso, abbiamo 7+1—sette in un nido d'ape, più un autista principale. La seconda ramificazione è l'aggiornamento del nostro sistema a poteri molto più elevati, che consentirà anche una terza via:una migliore conversione dei fasci di femtosecondi fondamentali in altre lunghezze d'onda utilizzando stadi di conversione non lineari, che ora creerebbe luce strutturata con composizione multicolore o iperspettrale e autosincronicità naturale."