Vista artistica del nuovo schema per la generazione di impulsi di luce a banda larga:un impulso laser quasi monocromatico entra in una cosiddetta cella multi-pass composta da due specchi di focalizzazione. Inoltre, nella cella è presente un insieme di lastre di vetro che provoca l'allargamento dello spettro ottico e presenta anche una sequenza di lenti. L'impulso in uscita ha uno spettro ottico molto più ampio. Credito:Scienza Ultraveloce
Alla prima dimostrazione del laser nel 1960 seguì rapidamente la nascita di un nuovo campo di ricerca:l'ottica non lineare. Le proprietà di coerenza uniche dell'emissione stimolata, il processo fisico fondamentale della radiazione laser, ha consentito intensità che superano di molti ordini di grandezza quelle delle sorgenti incoerenti. Le alte intensità guidano gli elettroni così fortemente che oscillano con frequenze diverse da quelle del campo luminoso di guida. La successiva emissione di dipolo può essere estremamente colorata. Fibra ottica o filamenti laser sono stati utilizzati per decenni come guide d'onda per massimizzare questo effetto e generare impulsi di luce a banda estremamente larga.
Tuttavia, se gli impulsi laser trasportano troppa energia, la fibra subisce danni e i filamenti di luce si rompono, in modo tale che le proprietà spaziali uniche della radiazione laser vengono perse. I ricercatori del DESY tedesco di sincrotrone elettronico ad Amburgo, in Germania, e dell'Helmholtz-Institute Jena, in Germania, hanno ora segnalato un nuovo metodo per guidare la luce in modo scalabile in termini di energia. La guida è realizzata mediante l'uso di due specchi di rifocalizzazione e l'attenta spaziatura delle sottili finestre di vetro non lineari.
Gli scienziati hanno riferito in una recente pubblicazione su Ultrafast Science che gli impulsi luminosi guadagnano più di 30 volte la loro larghezza di banda iniziale in tale configurazione e possono essere di conseguenza compressi dello stesso fattore. Ciò riduce la loro durata e aumenta considerevolmente la loro potenza di picco. Sorprendentemente, questi esperimenti sono stati eseguiti con impulsi laser che superano il limite di potenza di picco nelle fibre di vetro di un fattore 40. Tuttavia, nonostante la propagazione attraverso circa 40 cm di vetro in totale, la qualità del raggio e l'energia dell'impulso sono rimaste elevate. "Abbiamo combinato elegantemente due approcci recenti per estendere la larghezza di banda degli impulsi ultracorti. Tuttavia, la configurazione ottica è davvero semplice. Tutte le ottiche che abbiamo utilizzato nel nostro schema di ampliamento spettrale erano articoli di scorta. Questo e le eccellenti proprietà di rumore rendono il nostro approccio ampiamente applicabile, " afferma il dottor Marcus Seidel, autore principale della pubblicazione.
Il Dr. Christoph Heyl, capogruppo junior al DESY e all'Helmholtz Institute Jena, aggiunge che "c'è una chiara tendenza nella tecnologia laser ultraveloce verso fonti di potenza media elevate che spesso possono fornire solo impulsi con durate di picosecondi. Il nostro metodo presenta un'energia -, approccio efficiente in termini di dimensioni e costi per trasformare questi laser in sorgenti pulsate con una durata di sole decine di femtosecondi con gigawatt di potenza di picco."
Il regime del femtosecondo è la scala temporale del movimento molecolare che può essere tracciata e manipolata con impulsi ultracorti. Inoltre, gli impulsi di femtosecondi sono troppo veloci per consentire la generazione di calore dopo la ionizzazione. Questo è ampiamente sfruttato nella lavorazione dei materiali con il laser. L'approccio della compressione degli impulsi è stato utilizzato presso l'impianto laser a elettroni liberi FLASH di DESY già da diversi mesi. Ha consentito agli scienziati di scattare istantanee precise della dinamica molecolare in nuovi materiali quantistici.
"I nostri utenti della struttura ne sono rimasti molto soddisfatti", afferma il Dr. Seidel e guarda al futuro:"Saremmo lieti, ovviamente, se questa tecnologia consentisse esperimenti scientifici all'avanguardia presso il DESY e molti altri istituti in tutto il mondo".
Il team del Dr. Heyl ha recentemente pubblicato simulazioni che mostrano l'estensione dell'approccio dimostrato alle potenze di picco dei terawatt e alle energie degli impulsi a livello di joule. L'implementazione di un simile esperimento di potenziamento energetico aprirà le porte a applicazioni completamente nuove.
"L'allargamento spettrale e la compressione dell'impulso sono stati identificati come i metodi chiave per far progredire la fisica dei campi forti dal premio Nobel 2018 Gérard Mourou", afferma il dottor Heyl. "Con la nuova tecnologia, la sua previsione potrebbe prendere forma. Stiamo già installando un primo acceleratore di particelle compatto basato su celle multi-pass nei nostri laboratori. Ci aspettiamo che il concetto abbia un impatto anche sulla futura radioterapia e possibilmente anche sul laser- fusione basata". + Esplora ulteriormente
