In sei decenni, scienziati e ingegneri hanno trasformato il più breve lampo di luce laser in impulsi ultraveloci che producono un potente pugno. Rebecca Pool dell'ESCI parla con il Premio Nobel, Professor Gerard Mourou, scoprire di più.

Quando il fisico statunitense, Teodoro Maiman, osservò il primo lampo di luce rosso intenso dal laser a rubino che aveva costruito, probabilmente non si era reso conto di aver appena cambiato il mondo. Era il maggio del 1960:alla fine dell'anno, il suo allestimento sarebbe replicato in molti laboratori, e nei prossimi decenni, i laser sarebbero usati nelle telecomunicazioni, lavorazione dei materiali, chirurgia oculare e molto altro. Il primo dispositivo semplice ed elegante di Maiman si basava su concetti di laser che da tempo rimbalzavano nel mondo della ricerca. Già nel 1917, Albert Einstein aveva scoperto che gli elettroni all'interno degli atomi potevano essere eccitati per emettere cascate di fotoni, in un processo noto come emissione stimolata.

Negli anni Cinquanta, Pionieri del laser con sede negli Stati Uniti, Charles Townes dei Bell Labs, e Arthur Schawlow della Columbia University, aveva sviluppato 'maser', dispositivi simili ai laser ma che producono microonde e onde radio invece della luce visibile. E alla fine di questo decennio, Schawlow, Townes e altri fisici erano impegnati a progettare versioni ottiche del maser, presto soprannominato 'laser.' Ma è stato Maiman a produrre il primo laser funzionante. Laser è l'acronimo di "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni". Per realizzare questo effetto, Maiman costruì un dispositivo che comprendeva un breve, canna di rubino con un'estremità argentata e un'estremità parzialmente argentata con un piccolo foro.

La verga è stata posta all'interno di un luminoso, spirale, torcia allo xeno, che Maiman usava per illuminare intensamente e stimolare gli elettroni del rubino ad emettere fotoni. Questi fotoni potrebbero quindi rimbalzare avanti e indietro tra gli specchietti finali dell'asta, eccitando più elettroni per emettere fotoni, fino a quando i fotoni non sarebbero fuggiti dall'asta in breve tempo, esplosione fitta di luce laser coerente. Il laser a rubino di Maiman emetteva impulsi rosso intenso di luce laser, ma presto, i fisici laser userebbero altri solidi, così come i gas, coloranti liquidi, ioni, vapori metallici ed eventualmente semiconduttori per produrre impulsi e fasci continui di luce laser.

All'inizio degli anni Sessanta, i laser stavano già comparendo sul mercato commerciale tramite società come Perkin-Elmer e Spectra-Physics. E, soprattutto, i dispositivi venivano già utilizzati per distruggere i tumori della retina, saldare molle per orologi e altro ancora. Il potenziale per i laser non è stato perso per l'allora emergente fisico del laser, Gerard Mourou, che stava studiando per il dottorato. a Parigi VI nel 1973. Come racconta all'ESCI:"Quando ho iniziato il mio dottorato di ricerca, il mio supervisore aveva appena duplicato il laser Maiman nel suo laboratorio. Ero così molto interessato a questo... e anche molto eccitato dalle sue nuove applicazioni, " Aggiunge.

All'inizio degli anni '70, era stato inventato il blocco della modalità laser, rendendo possibile produrre un flusso ripetitivo di impulsi laser intensi e brevi. È importante sottolineare che questi brevi impulsi significavano che i ricercatori potevano ora studiare le reazioni fisiche e chimiche come mai prima d'ora. Come fa notare Mourou:"Volevo studiare come gli atomi, molecole e oggetti molto piccoli si muovevano, quindi stavo cercando di produrre impulsi molto brevi dai laser."

Però, la fisica del laser aveva raggiunto un posto di blocco. Questo sviluppo di breve, gli impulsi laser non erano stati accompagnati da un grande aumento di energia per impulso, o potenza di picco. Mentre il piccolo, impulsi nanojoule da questi impulsi brevi, i laser a modalità bloccata potrebbero essere amplificati un milione di volte al livello di millijoule, qualsiasi amplificazione maggiore ha distrutto l'amplificatore e i componenti laser. I ricercatori potrebbero produrre laser ad energia più elevata senza il danno aumentando il diametro del raggio laser, ma una tale configurazione richiedeva massicce installazioni laser che solo gli istituti di ricerca nazionali potevano permettersi.

Ma Mourou aveva una soluzione:amplificazione dell'impulso cinguettante. Lavorando con il suo studente, Donna Strickland, ha ideato un processo per allungare il breve impulso laser nel tempo, utilizzando un reticolo di diffrazione, per ridurre la sua potenza di picco. Questa luce meno potente potrebbe quindi essere amplificata in sicurezza a energie più elevate senza danneggiare i componenti laser e quindi ricompressa alla sua durata originale con un ulteriore reticolo. Il risultato finale è stato un potente impulso e nessun danno laser. Nel 1985, Mourou e Strickland avevano prodotto un cortometraggio mozzafiato, impulso di due picosecondi con un'energia relativamente modesta di 1 millijoule. Hanno subito generato un impulso ancora più breve di un picosecondo, che a 1 joule, aveva 1000 volte più energia. L'amplificazione degli impulsi cinguettati è stata ben dimostrata e decenni dopo avrebbero ricevuto il premio Nobel per la fisica 2018 per la loro invenzione.

Fin dal suo sviluppo, l'amplificazione degli impulsi cinguettati è diventata lo standard in tutti i laser ad alta intensità, e Mourou ha utilizzato la tecnica per sviluppare impulsi laser sempre più brevi con energie maggiori e potenze di picco sempre più elevate. Ultracorto, intensi impulsi laser sono stati creati all'interno di laboratori di tutto il mondo, consentendo ai ricercatori di acquisire immagini di processi in frazioni di secondo a livello molecolare, e studiare eventi incredibilmente veloci, tra cui la fotosintesi e il movimento degli elettroni negli atomi e nelle molecole.

Infatti, i fisici dell'Università di Monaco hanno recentemente registrato un elettrone che fuoriesce da un atomo di elio, un evento che si verifica in un singolo zeptosecondo, o un trilionesimo di miliardesimo di secondo. "L'otturatore della fotocamera funziona in un millisecondo, ma questi brevi impulsi laser sono ora misurati in [almeno] un milionesimo di miliardesimo di secondo, " dice Mourou. "Con tali laser ad altissima intensità possiamo studiare la fisica subatomica, compreso il nucleo, e sono anche molto entusiasta di studiare le fluttuazioni di energia infinitamente piccole nel vuoto."

Ma oltre alla cattura inimmaginabilmente veloce, eventi atomici e subatomici, l'elevata intensità del laser è stata anche sfruttata per tagliare o perforare con precisione le caratteristiche in una gamma mozzafiato di materiali biologici e artificiali. Per esempio, l'amplificazione dell'impulso cinguettante è stata a lungo utilizzata nella chirurgia oculare per aprire la lente senza danneggiare il tessuto circostante, e anche per cauterizzare i vasi sanguigni.

Il metodo è anche ampiamente utilizzato per incidere pit in dischi ottici, per l'archiviazione dei dati, macchina il vetro di copertura utilizzato nei telefoni cellulari, e modellare le superfici di parti di precisione per batterie, impianti e altro ancora.

Infatti, Dott. Santiago Miguel Olaizola, dal Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas (CEIT) nei Paesi Baschi, Spagna, ha sfruttato i laser a impulsi ultracorti per sviluppare processi per definire tali modelli e trame, noti come strutture superficiali periodiche indotte dal laser (LIPSS) in posizioni precise sulle superfici. In qualità di partner chiave nel progetto europeo, Laser4surf, Olazola, al fianco dei colleghi, intende sviluppare un sistema per portare LIPSS alla produzione di massa. "La tecnologia laser ultraveloce per la produzione avanzata è maturata molto rapidamente negli ultimi quindici anni, ed è passato dal laboratorio alle fabbriche e alle aziende, ", afferma. "Ma ora vorremmo sviluppare e integrare ulteriormente i processi in modo da poter creare queste piccole strutture di superficie molto rapidamente e con facilità".

Lo "strumento all-in-one" comprenderà tre caratteristiche chiave; un modulo ottico, unità di monitoraggio e piattaforma software. Il modulo ottico rappresenta il cuore del sistema e controllerà i parametri laser come potenza laser, profilo del fascio e lunghezza d'onda. Nel frattempo, l'unità di monitoraggio in linea monitorerà le proprietà dei modelli di superficie man mano che vengono creati. E la nuova piattaforma software consentirà agli utenti industriali di selezionare i parametri di processo in base al materiale da modellare.

"Con l'unità di monitoraggio, saremo in grado di monitorare eventuali cambiamenti imprevisti per scoprire se, dire, è successo qualcosa al laser, " spiega Olaizola. "E gli strumenti software permetteranno all'utente di scegliere, Per esempio, la profondità delle strutture superficiali e regolare lo strumento per sintonizzare i parametri laser per questo, senza bisogno di comprendere a fondo il processo."

Un prototipo è ora previsto per l'inizio del 2020, e verrà utilizzato per creare LIPSS in batterie avanzate, impianti dentali e gli encoder lineari che forniscono feedback di posizione nelle macchine utensili e nei sistemi di automazione. "Volevamo dimostrare il sistema su una combinazione di diverse tecnologie, " sottolinea Olaizola. "Le batterie sono molto richieste e prodotte in serie, gli impianti dentali sono un'importante applicazione sociale e gli encoder lineari richiedono una lavorazione molto precisa."

Secondo Olaizola, il prototipo Laser4Surf si baserà inizialmente su bassa energia, laser a impulsi ultracorti che non utilizzano l'amplificazione dell'impulso cinguettante di Mourou e Strickland. Ma in una fase successiva, questo cambierà. "L'amplificazione degli impulsi cinguettati consente di avere più energia in ogni impulso laser, che consente una lavorazione più rapida dei materiali, " dice. "La velocità sarà così importante nelle future applicazioni LIPSS; una volta stabilita la produzione di massa, dovremo solo fabbricare prodotti sempre più velocemente."