Ti piacerebbe catturare una trasformazione chimica all'interno di una cellula dal vivo? O magari rivoluzionare la produzione di microchip stampando percorsi in uno strato che ha uno spessore di appena 100 nanometri? Questi e molti altri obiettivi possono ora essere raggiunti con l'ultimo laser a femtosecondi creato da un team di scienziati guidati dal Dr. Yuriy Stepanenko.

In questi giorni, c'è una moltitudine di sorgenti di luce laser. Ognuno di essi ha le sue caratteristiche e le sue diverse applicazioni, come osservare le stelle, curare malattie, e microlavorazioni superficiali. "Il nostro obiettivo è svilupparne di nuovi, "dice Yuriy Stepanenko, capo del team di tecniche laser ultraveloci presso l'Istituto di chimica fisica dell'Accademia delle scienze polacca. "Ci occupiamo di sorgenti che producono impulsi di luce ultracorti. Davvero molto, impulsi molto brevi:femtosecondi (una parte di secondo con 15 zeri dopo la virgola). Questa è la scala su cui, Per esempio, avvengono reazioni chimiche intracellulari. Vederli, dobbiamo "fare una foto" in questo brevissimo tempo. E grazie al nuovo laser, possiamo fare proprio questo.

"Possiamo anche utilizzare la nostra fonte per la rimozione molto precisa di materiali da varie superfici senza distruggerli, "dice lo scienziato. "Potremmo, Per esempio, pulire la Gioconda con questo metodo senza danneggiare gli strati di vernice. Rimuoveremo solo polvere e sporco, uno strato di circa 10 nanometri di spessore, " spiega il dottor Stepanenko, uno degli autori di uno studio recentemente pubblicato su Journal of Lightwave Technology.

"Ma per questo tipo di lavoro, il nostro laser è fin troppo preciso, " nota il dottor Bernard Piechal, coautore della pubblicazione. "Per questo, hai solo bisogno di impulsi di nanosecondi, cioè impulsi che durano mille volte più a lungo. Quest'ultimo, però, non sarebbe in grado di, ad esempio, tracciare percorsi di profondità pianificate con precisione in materiali ultrasottili, per esempio. rimozione dell'oro spruzzato su microchip con una precisa regolazione dello spessore dello strato da rimuovere. Ma il nostro laser può farlo! Può anche realizzare fori in vetro temperato o lastre di silicone ultrasottili. In queste condizioni, un laser a nanosecondi fonderebbe il silicio o "frantumerebbe" il vetro perché produce troppo calore. Troppa energia è concentrata localmente in un'area molto piccola. Il nostro lavora con fermezza ma dolcemente, " sorride il dottor Stepanenko.

Come è stato ottenuto questo effetto?

"Volevamo che la nostra fonte soddisfacesse due condizioni:doveva essere suscettibile ai disturbi meccanici il meno possibile, e doveva essere mobile, " spiega il Dr. Piechal. "Non volevamo creare un enorme, struttura stazionaria".

I laser a fibra ottica sono venuti in soccorso della squadra. "Questo tipo di laser è fondamentalmente una fibra ottica racchiusa in un anello. L'impulso laser scorre al suo interno senza essere esposto a disturbi meccanici. La fibra ottica può essere toccata, mosso, anche agitato senza compromettere la stabilità del polso. Certo, se solo la luce girasse in un cerchio come questo, sarebbe inutile, quindi parte di questo impulso è diretto all'esterno dell'anello in un punto sotto forma di lampi utili, " spiega il dottor Stepanenko.

Qui arriviamo ad un altro parametro importante di questa sorta di laser pulsato:la frequenza con cui gli impulsi compaiono in uscita. Nei modelli convenzionali, tale frequenza dipende dalla lunghezza dell'anello in fibra ottica in cui viaggia l'impulso. La sua lunghezza pratica è di diverse decine di metri. Che è parecchio, non è vero? E se volessimo che i lampi di luce apparissero il più spesso possibile? Questo può essere fatto riducendo la circonferenza dell'anello attraverso il quale viaggia l'impulso. Solo che questo tipo di azione ha i suoi limiti. "Nei nostri laser, il ciclo più piccolo emette impulsi ogni 60 nanosecondi, che è ancora troppo lento per i nostri desideri, " spiega il ricercatore. Come si può accelerare questa frequenza? È qui che entra in gioco la nuova invenzione del team dell'IPC PAS:un sistema che permette di duplicare la frequenza di base come se si creassero frequenze armoniche sulla frequenza di base di una chitarra corda.

"Utilizziamo il cosiddetto blocco della modalità armonica, " spiega il Dr. Stepanenko. "Ciò che è innovativo nel nostro design è che siamo in grado di cambiare questa frequenza di ripetizione in modo controllato e selezionare solo una delle possibili armoniche, quello in particolare di cui abbiamo bisogno. Si potrebbe dire che siamo come un chitarrista su una corda aperta, cioè il nostro ciclo della fibra, otteniamo una frequenza specifica risultante dalla sua lunghezza. Quando mettiamo il dito esattamente al centro della corda, otteniamo la cosiddetta seconda armonica. Il tono aumenta di un'ottava e la frequenza di vibrazione raddoppia. Se mettiamo il dito su 1/3 della lunghezza della corda, otteniamo una frequenza pari a tre volte superiore rispetto alla stringa aperta. Nel nostro caso, aumentiamo la frequenza degli impulsi ruotando la manopola. Possiamo farlo solo per gradi, ogni volta ottenendo un'altra armonica, proprio come gli armonici nella chitarra cambiano a passi, ma la gamma è abbastanza ampia:possiamo cambiare le nostre armoniche luminose da 2 fino a 19 volte al di sopra della frequenza di base, ovvero raggiungere una frequenza di impulsi fino a poco più di 300 MHz.

È estremamente importante che le frequenze ottenute siano stabili e possano essere distinte con precisione. Se scegliamo un'armonica, tutti gli altri saranno così smorzati che il loro "volume" sarà circa 10 milioni di volte inferiore a quello del prescelto. Si potrebbe dire che stiamo generando un suono puro ed eliminando tutto il rumore di fondo. Inoltre, maggiore è la frequenza, meglio è definito. "Siamo i primi ad essere riusciti a farlo così bene, " afferma con orgoglio il ricercatore.

Non resta che attendere che l'invenzione venga implementata in più applicazioni industriali. Forse significherà per noi laptop ancora più sottili e leggeri o una migliore conoscenza di ciò che sta accadendo all'interno del corpo umano.