La generazione e la manipolazione di impulsi ad alta ripetizione sono molto promettenti in varie applicazioni, tra cui la fotografia ad alta velocità, l'elaborazione laser e la generazione di onde acustiche. Gli impulsi burst di Gigahertz (GHz), con intervalli che vanno da ~0,01 a ~10 nanosecondi, sono particolarmente apprezzati per visualizzare fenomeni ultraveloci e migliorare l'efficienza dell'elaborazione laser.
Sebbene esistano metodi per produrre impulsi burst a GHz, persistono sfide, come la bassa produttività dell’energia degli impulsi, la scarsa sintonizzabilità degli intervalli di impulsi e la complessità dei sistemi esistenti. Inoltre, modellare il profilo spaziale di ciascun impulso burst GHz deve affrontare limitazioni dovute alla risposta inadeguata dei modulatori di luce spaziale.
Affrontando queste sfide, un gruppo di ricerca dell'Università di Tokyo e dell'Università di Saitama ha sviluppato una tecnica ottica innovativa denominata "spectrum shuttle", che consente contemporaneamente la produzione di impulsi burst GHz e la modellazione individuale dei loro profili spaziali.
Il metodo prevede la dispersione di un impulso ultracorto orizzontalmente attraverso reticoli di diffrazione, separando spazialmente l'impulso in diverse lunghezze d'onda utilizzando specchi paralleli. Questi impulsi allineati verticalmente subiscono una modulazione spaziale individuale utilizzando un modulatore di luce spaziale. Gli impulsi modulati risultanti, con ritardi temporali variabili nell'intervallo dei GHz, producono impulsi burst GHz separati spettralmente, ciascuno con una forma unica nel suo profilo spaziale.
Come riportato in Advanced Photonics Nexus , il metodo proposto ha prodotto con successo impulsi burst GHz con lunghezze d'onda e intervalli temporali variati in modo discreto. Ha dimostrato la formazione di profili spaziali, inclusi spostamenti di posizione e suddivisione dei picchi.
L'applicazione del metodo nell'imaging spettroscopico ultraveloce ha dimostrato la sua capacità di catturare simultaneamente la dinamica in diverse bande di lunghezza d'onda.
Il metodo facilita l'imaging ultraveloce su scale temporali da subnanosecondi a nanosecondi, consentendo l'analisi di fenomeni rapidi e non ripetitivi. Le sue potenziali applicazioni includono la scoperta di fenomeni ultraveloci sconosciuti e il monitoraggio di processi fisici veloci in ambienti industriali. La capacità di modellare individualmente gli impulsi burst GHz è promettente anche nell'elaborazione laser di precisione e nella terapia laser.
In particolare, il design compatto del metodo proposto ne migliora la portabilità, rendendolo applicabile in strutture di ricerca scientifica e in vari settori della tecnologia industriale.
"La nostra esclusiva configurazione ottica consente la manipolazione di impulsi ultracorti con un percorso ottico tridimensionale, consentendo una manipolazione spaziale senza precedenti di impulsi burst GHz", afferma Keitaro Shimada, Ph.D. candidato al Dipartimento di Bioingegneria dell'Università di Tokyo.
"Spectrum shuttle offre un'ampia gamma di impulsi burst GHz con intervalli che vanno da 10 picosecondi a 10 nanosecondi. Credo che le applicazioni basate sulla nostra tecnica, mirate a vari target come plasma, metalli e cellule, accelereranno le scoperte scientifiche e le innovazioni tecnologiche nell'industria e nella medicina."
La tecnica innovativa apre nuove strade per il progresso dell'imaging ultraveloce, con implicazioni sia per la ricerca scientifica che per le applicazioni industriali. La sua capacità di produrre e modellare simultaneamente impulsi burst GHz introduce uno strumento versatile per studiare fenomeni rapidi e migliorare i processi basati sul laser.
Ulteriori informazioni: Keitaro Shimada et al, Spectrum shuttle per la produzione di impulsi burst GHz modellabili spazialmente, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016002
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