La procedura di fabbricazione di una non diffrazione di un campo di luce utilizzando una caustica trasversa desiderata. Credit:WWU - Alessandro Zannotti
Le applicazioni moderne come la microscopia ad alta risoluzione o la lavorazione di materiali su micro o nanoscala richiedono raggi laser personalizzati che non cambiano durante la propagazione. Ciò rappresenta una sfida immensa poiché la luce tipicamente si allarga durante la propagazione, un fenomeno noto come diffrazione. I cosiddetti campi luminosi invarianti alla propagazione o non diffrangenti non sembrano quindi possibili a prima vista. Se fosse possibile produrli, consentirebbero nuove applicazioni come la microscopia a disco ottico o il taglio laser, fresatura o foratura con proporzioni elevate.
Un team di ricerca internazionale delle Università di Birmingham (Regno Unito), Marsiglia (Francia) e Münster (Germania) sono riuscite per la prima volta a creare fasci arbitrari non diffrangenti. "Attuiamo un approccio ispirato dalla natura, in cui qualsiasi struttura di intensità desiderata può essere specificata dai suoi confini, " spiega uno degli autori dello studio, Prof. Cornelia Denz dell'Istituto di Fisica Applicata dell'Università di Münster. Gli autori sfruttano abilmente le strutture luminose che possono essere viste negli arcobaleni o quando la luce viene trasmessa attraverso i bicchieri:spettacolari strutture a raggi chiamate caustiche. Sono linee luminose di messa a fuoco che si sovrappongono, e quindi costruendo reti che possono essere sfruttate per la propagazione non diffrattiva. Il team ha sviluppato un metodo per utilizzare queste caustiche come base per la generazione di strutture arbitrarie, e ha così creato una manipolazione intelligente della propagazione dei raggi. In questo modo, innumerevoli nuovi tipi di raggi laser possono essere formati su scala micrometrica, aprendo prospettive completamente nuove nella lavorazione dei materiali ottici, trasmissione del segnale multidimensionale o imaging avanzato ad alta risoluzione.
Solo pochi anni fa è stato possibile realizzare alcuni campi luminosi che esibiscono queste proprietà di non diffrazione, anche se l'idea teorica è più antica:strutture ad anello concentriche come il raggio di Bessel potrebbero essere prodotte in un modo invariante per la propagazione. La teoria prevede un'intera classe di fasci la cui forma trasversale è generata su traiettorie ellittiche o paraboliche e rappresentano soluzioni naturali dell'equazione delle onde. Sebbene ci sia stata a lungo la necessità di tali fasci di luce personalizzati con queste proprietà, difficilmente sono stati prodotti sperimentalmente perché l'invarianza della struttura trasversale dell'intensità deve essere mantenuta durante la propagazione.