I ricercatori dell'Institut national de la recherche scientifique (INRS) hanno scoperto un modo conveniente per sintonizzare lo spettro di un laser sull'infrarosso, una fascia di grande interesse per molte applicazioni laser. Hanno collaborato con gruppi di ricerca austriaci e russi per sviluppare questa innovazione, che è ora oggetto di domanda di brevetto. I risultati del loro lavoro sono stati recentemente pubblicati in ottica , la rivista di punta della Optical Society (OSA).

In questo campo di studi, molte applicazioni laser hanno un vantaggio decisivo se la lunghezza d'onda del laser è localizzata e possibilmente sintonizzabile nella regione dell'infrarosso. Però, questo non è ancora vero con le attuali tecnologie laser ultraveloci, e gli scienziati devono esplorare vari processi non lineari per spostare la lunghezza d'onda di emissione. In particolare, l'amplificatore ottico parametrico (OPA) è stato finora l'unico strumento consolidato per raggiungere questa finestra a infrarossi. Sebbene i sistemi OPA offrano un'ampia gamma di possibilità di regolazione, sono complessi, spesso composto da più stadi, e piuttosto costoso.

Il team del Professor Luca Razzari, in collaborazione con il Professor Roberto Morandotti, ha dimostrato che la sintonizzabilità di grandi lunghezze d'onda può essere ottenuta anche con un sistema semplice e molto meno costoso:una fibra a nucleo cavo (capillare) riempita di azoto. Inoltre, questo approccio fornisce prontamente impulsi ottici più brevi di quelli del laser in ingresso e con un'elevata qualità spaziale. I ricercatori hanno anche beneficiato dell'esperienza dell'INRS in questo campo, poiché lo speciale sistema per allungare e trattenere tali fibre è commercializzato dalla startup pochi cicli.

Allargamento spettrale asimmetrico

Generalmente, le fibre a nucleo cavo sono riempite con un gas monoatomico come l'argon per ampliare simmetricamente lo spettro del laser e quindi ricomprimerlo in un impulso ottico molto più breve. Il team di ricerca ha scoperto che utilizzando un gas molecolare come l'azoto, l'ampliamento spettrale era ancora possibile, ma in maniera inaspettata.

"Piuttosto che diffondersi simmetricamente, lo spettro è stato notevolmente spostato verso lunghezze d'onda infrarosse meno energetiche. Questo spostamento di frequenza è il risultato della risposta non lineare associata alla rotazione delle molecole di gas e, come tale, può essere facilmente controllato variando la pressione del gas (cioè, il numero di molecole) nella fibra, " spiega il Dott. Riccardo Piccoli, che ha condotto gli esperimenti nella squadra di Razzari.

Una volta che il raggio si è allargato verso l'infrarosso, i ricercatori filtrano lo spettro di uscita per mantenere solo la banda di interesse. Con questo approccio, l'energia viene trasferita nella gamma spettrale del vicino infrarosso (con efficienza paragonabile a quella degli OPA) in un impulso tre volte più breve dell'input, senza alcun apparato complesso o sistema di post-compressione del polso aggiuntivo.

Una collaborazione internazionale

Per completare la ricerca, gli scienziati dell'INRS si sono uniti a colleghi austriaci e russi. "Abbiamo unito le nostre competenze dopo aver scoperto in una conferenza quanto fossero simili i fenomeni osservati dai nostri due gruppi, "dice Razzari.

Il team di ricercatori con sede a Vienna guidato dal Professor Andrius Baltuska e dal Dr. Paolo A. Carpeggiani aveva una strategia complementare a quella dell'INRS. Hanno anche usato una fibra a nucleo cavo riempita di azoto, ma invece di filtrare lo spettro, lo comprimevano nel tempo con specchi capaci di regolare la fase dell'impulso allargato. "In questo caso, lo spostamento generale nell'infrarosso è stato meno estremo, ma l'impulso finale era molto più breve e più intenso, perfettamente adatto alla fisica degli attosecondi e dei campi forti, " dice il dottor Carpeggiani.

Il team di Mosca, guidato dal professor Aleksei Zheltikov, si è concentrato sullo sviluppo di un modello teorico per spiegare questi fenomeni ottici. Combinando questi tre approcci, i ricercatori sono stati in grado di comprendere appieno le complesse dinamiche sottostanti e di ottenere non solo l'estremo spostamento verso il rosso utilizzando l'azoto, ma anche un'efficiente compressione degli impulsi nel campo dell'infrarosso.

Il team internazionale ritiene che il metodo potrebbe benissimo soddisfare la crescente domanda di sorgenti ultraveloci a lunga lunghezza d'onda in applicazioni laser e a campo forte, a partire da sistemi sintonizzabili di livello industriale meno costosi basati sull'emergente tecnologia laser all'itterbio.