I ricercatori hanno sviluppato un laser compatto che emette luce con un'estrema purezza spettrale che non cambia in risposta alle condizioni ambientali. Il nuovo laser potenzialmente portatile potrebbe beneficiare di una serie di applicazioni scientifiche, migliorare gli orologi per i sistemi di posizionamento globale (GPS), far avanzare il rilevamento delle onde gravitazionali nello spazio ed essere utile per il calcolo quantistico.

Ricercatori del Lincoln Laboratory del Massachusetts Institute of Technology, Gli USA descrivono il loro nuovo laser in ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto.

Anche se un laser è progettato per emettere esclusivamente in una lunghezza d'onda, i cambiamenti di temperatura e altri fattori ambientali spesso introducono rumore che fa spostare o ampliare la frequenza dell'emissione luminosa. L'estensione spettrale ampliata di questa emissione è nota come larghezza di riga del laser. I ricercatori hanno utilizzato un nuovo approccio per creare un laser a fibra ottica con una larghezza di riga spettrale più stretta mai raggiunta da un laser a fibra oa semiconduttore. Lo stesso laser fornisce anche un metodo per rilevare e correggere variazioni di temperatura fino a 85 nanoKelvin, ovvero 85 miliardesimi di grado.

"Oggi, i laser a cavità ultra-bassa espansione (ULE) presentano la larghezza di linea più stretta e le prestazioni più elevate, ma sono ingombranti e molto sensibili al rumore ambientale, " ha detto William Loh, il primo autore dell'articolo. "Il nostro obiettivo è sostituire i laser ULE con uno che possa essere portatile e non sia sensibile al rumore ambientale".

Raggiungere una larghezza di linea ridotta

I ricercatori hanno sviluppato un laser basato su un corto circuito (~2 metri) di fibra ottica configurato come un risonatore ad anello. I laser in fibra sono compatti e robusti e tendono a reagire in modo relativamente lento ai cambiamenti ambientali. I ricercatori hanno combinato i vantaggi della fibra con un effetto ottico non lineare noto come diffusione Brillouin per ottenere un laser con una larghezza di linea di soli 20 hertz. Per confronto, altri laser in fibra possono raggiungere larghezze di linea comprese tra 1000 e 10, 000 hertz, e i laser a semiconduttore standard hanno tipicamente una larghezza di linea di circa 1 milione di hertz.

Per rendere il laser estremamente stabile di fronte ai cambiamenti ambientali a lungo e breve termine, i ricercatori hanno sviluppato un modo per fare riferimento al segnale laser contro se stesso per rilevare i cambiamenti di temperatura. Il loro metodo è molto sensibile rispetto ad altri approcci per la misurazione della temperatura e consente il calcolo di un segnale di correzione preciso che può essere utilizzato per riportare il laser alla lunghezza d'onda di emissione della temperatura originale.

"La temperatura contribuisce in modo importante al rumore laser, " ha detto Loh. "Un laser di alta qualità deve non solo avere una larghezza di linea del laser stretta, ma anche un modo per mantenere quell'emissione stabile a lungo termine".

Miglioramento del GPS

Questa nuova fonte di luce potrebbe essere utilizzata per migliorare una nuova generazione di orologi atomici ottici utilizzati per i dispositivi abilitati per il GPS. Il GPS consente agli utenti di individuare la propria posizione sulla Terra triangolando con i segnali ricevuti da una rete di satelliti contenenti orologi atomici avanzati. Ogni satellite fornisce un timestamp, e il sistema calcola una posizione in base alle differenze relative tra quei tempi.

"Pensiamo che gli orologi atomici basati sulla nostra scuderia, il laser a larghezza di riga stretta potrebbe essere utilizzato per individuare con maggiore precisione l'ora di arrivo del segnale, migliorare la precisione della posizione degli odierni sistemi GPS, " ha detto Loh. "Il fatto che il nostro laser sia compatto significa che potrebbe essere utilizzato a bordo dei satelliti".

Il laser potrebbe anche essere utile per gli interferometri come quelli utilizzati dal Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) per rilevare le onde gravitazionali provenienti da buchi neri in collisione o stelle che collassano. I laser ultrastabili sono necessari per questa applicazione perché il rumore laser impedisce all'interferometro di rilevare le piccolissime perturbazioni di un'onda gravitazionale.

"Ci sono sforzi in corso per utilizzare i laser nello spazio per creare bracci interferometrici più lunghi per l'osservazione delle onde gravitazionali, " ha detto Loh. "Grazie alle sue dimensioni compatte e alla sua robustezza, il nostro laser potrebbe essere un candidato per il rilevamento delle onde gravitazionali nello spazio".

I ricercatori affermano che sebbene il loro nuovo laser sia robusto, attualmente è un sistema da banco adatto all'uso in laboratorio. Ora stanno lavorando per sviluppare imballaggi più piccoli per il laser e incorporeranno componenti ottici più piccoli per creare una versione portatile che potrebbe essere piccola come uno smartphone.