I ricercatori di Graphene Flagship hanno sviluppato un laser a fibra ottica che emette impulsi con durate equivalenti a poche lunghezze d'onda della luce utilizzata. Questo dispositivo più veloce in assoluto basato sul grafene sarà l'ideale per l'uso nella spettroscopia ultraveloce, e nei laser chirurgici che evitano danni da calore ai tessuti viventi.

Ultraveloci e ultracorti

Le applicazioni fotoniche avanzate come la spettroscopia ad alta velocità richiedono impulsi ultracorti per catturare fenomeni fisici transitori nei materiali studiati. In pratica, ciò significa impulsi laser nell'intervallo dei femtosecondi (10-15 s). Un esempio di tale applicazione è la spettroscopia a pompa di sonda dei processi di rilassamento fotochimico.

"Quando si progetta la luce per viaggiare in impulsi ultracorti, è importante capire la sua natura ondulatoria, "dice Daniel Popa, capo del gruppo di fotonica del Cambridge Graphene Centre, e leader del suo progetto di ricerca laser a base di grafene. "Perché la luce si propaghi come fa un'onda meccanica su una corda tesa, l'impulso più breve possibile è definito da una singola oscillazione dell'onda."

La risoluzione temporale è limitata dalla lunghezza dell'impulso laser utilizzato. Più breve è il polso, maggiore è la risoluzione spettroscopica, con la massima risoluzione possibile definita dalla lunghezza del ciclo della particolare frequenza luminosa impiegata. Nei regimi del visibile e del vicino infrarosso, in cui opera la maggior parte dei laser ultraveloci, la durata finale dell'impulso è compresa tra 2 e 5 femtosecondi. Impulsi più brevi richiedono lunghezze d'onda più corte.

Limiti teorici a parte, impulsi di appena due cicli possono essere generati da cavità laser utilizzando una tecnica nota come blocco della modalità passiva. Con laser al titanio-zaffiro, comune nei laboratori di fotonica di tutto il mondo, impulsi della lunghezza di 5 femtosecondi possono essere prodotti a una lunghezza d'onda di 800 nanometri, corrispondente a meno di due cicli. Questi impulsi non sono sintonizzabili, però. Impulsi sintonizzabili di pochi cicli possono essere ottenuti sfruttando gli effetti non lineari negli amplificatori parametrici ottici, ma le disposizioni pratiche tendono ad essere complesse e costose.

I laser in fibra sono piattaforme interessanti per la generazione di impulsi ultracorti, grazie alla loro semplicità, design compatto ed economico, la loro efficiente dissipazione del calore, e un'operazione senza allineamento che non richiede configurazioni ottiche ingombranti. Con oscillatori a fibra, impulsi ultracorti possono essere generati da modalità di blocco passivo, che richiede un componente non lineare noto come assorbitore saturabile. Il grafene ha le proprietà fisiche ideali per realizzare un assorbente così saturabile.

Un laser interamente in fibra a base di grafene per impulsi di luce di pochi cicli

I laser a modalità bloccata a base di grafene sono stati dimostrati in precedenza, ma è l'uso di questo nuovo materiale bidimensionale in un compatto, configurazione interamente in fibra che contraddistingue il lavoro di Popa e dei suoi colleghi. Il loro progresso è delineato in un articolo pubblicato di recente sulla rivista Lettere di fisica applicata , il cui primo autore è il dottorando David Purdie.

Con laser a fibra, gli impulsi di femtosecondi sono tipicamente generati attraverso il blocco della modalità solitonica. Un solitone è un'onda solitaria auto-rinforzante che mantiene la sua forma senza distorsioni mentre viaggia a velocità costante lungo una guida d'onda come una fibra ottica. I solitoni sono il risultato di effetti dispersivi e non lineari che si annullano a vicenda nel mezzo della guida d'onda, consentendo così la propagazione di un inviluppo di impulsi stabile.

I formati interamente in fibra sono preferibili in termini di costo, compattezza e robustezza, e la strategia qui è quella di utilizzare una cavità basata su segmenti alternati di fibre a dispersione positiva e negativa che portano all'allargamento e alla compressione periodici degli impulsi.

La chiave è estrarre l'impulso da tale cavità quando la sua durata è al minimo, e potenza di picco quindi al massimo. A causa dell'elevata potenza di picco dell'impulso estratto, nuove componenti di frequenza possono essere generate attraverso effetti ottici non lineari all'interno di una lunghezza esterna di fibra, e questi sono fondamentali quando si tratta di ridurre ulteriormente la lunghezza dell'impulso. Questo si basa sulla relazione matematica nelle onde tra i domini di frequenza e tempo nota come trasformata di Fourier. Per realizzare questa trasformazione in forma fisica, i ricercatori hanno progettato una linea di ritardo dispersiva che piega i componenti di frequenza appena creati in un singolo impulso.

La configurazione dei ricercatori di Graphene Flagship si basava solo su apparecchiature di telecomunicazione standard, con un assorbitore saturabile basato su un composto di grafene e alcol polivinilico (PVA) fabbricato mediante lavorazione in soluzione a basso costo, con i fiocchi di grafene esfoliati dalla grafite sfusa mediante agitazione ultrasonica della soluzione. L'evaporazione lascia dietro di sé un composito di grafene-PVA spesso 50 micron, che viene poi inserito tra i connettori in fibra.

Con questa configurazione, Purdie e i suoi colleghi sono stati in grado di generare 29 impulsi di femtosecondi, che corrisponde a meno di sei cicli a una lunghezza d'onda di 1,5 micron.

La compensazione degli effetti non lineari e disperdenti di ordine superiore dovrebbe portare a una lunghezza dell'impulso più breve, e l'uso di un diodo di potenza superiore, o una configurazione a doppia pompa, potrebbe comportare impulsi di larghezza di banda più elevati e una maggiore potenza di uscita. Finalmente, l'aggiunta di fibre di cristalli fotonici potrebbe in linea di principio consentire la generazione di impulsi laser altrettanto brevi ad altre lunghezze d'onda.

"Ciò che è veramente notevole di questo progetto è la facilità di combinare il grafene con fibre ottiche standard in un formato estremamente compatto, "dice Popa. "In questo modo, possiamo generare impulsi luminosi che durano solo pochi cicli, o pochi milionesimi di miliardesimo di secondo."