Impulsi di luce ultrabrevi a forma di giocattolo a molla apportano una nuova svolta alla fotonica

9 giugno 2023

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di Técnico Lisboa

Tutti abbiamo giocato almeno una volta con un giocattolo a molla, ma sapevate che anche la luce può avere la forma di una molla?

Un team internazionale di ricercatori, guidato da Marco Piccardo, ex ricercatore presso l’Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) e ora Professore presso il Dipartimento di Fisica di Técnico Lisboa e Principal Investigator presso l’Istituto di Ingegneria per i Microsistemi e le Nanotecnologie (INESC MN), ha sfruttato l’ottica ultraveloce e la luce strutturata per sintetizzare in laboratorio una nuova famiglia di fasci di luce spaziotemporali, noti come sorgenti luminose.

La ricerca è stata condotta in collaborazione tra IIT, Politecnico di Milano e Técnico Lisboa. La scoperta ha un potenziale dirompente per applicazioni nella fotonica con luce complessa, come la microscopia risolta nel tempo (utile, ad esempio, per produrre filmati che descrivono il movimento di molecole e virus), l'accelerazione laser-plasma e lo spazio libero (ad esempio, in l'atmosfera) comunicazioni ottiche.

La ricerca è pubblicata su Nature Photonics.

Nell'ottica ultraveloce è possibile accorciare o allungare la durata di impulsi ottici estremamente brevi – fino a pochi femtosecondi, o millesimi di miliardesimo di secondo – o addirittura produrre impulsi complessi, mediante una tecnica nota come modellamento dell'impulso. Un'idea centrale di questo principio è che i brevi impulsi laser sono composti da un'ampia gamma di colori.

Gli scienziati separano un impulso nei suoi colori costituenti, che vengono poi manipolati e ricombinati separatamente, dando vita a una nuova forma dell'impulso laser. Mentre il modellamento dell’impulso consente di manipolare il profilo temporale di un impulso, esiste un altro insieme di tecniche, noto come modellamento del fronte d’onda, che consente di conferire alla luce una struttura spaziale. I progettisti della luce hanno imparato come combinare questi due metodi per modellare simultaneamente la luce nello spazio e nel tempo, collegando l’ottica ultraveloce e la luce strutturata per applicazioni spaziotemporali completamente nuove.

In un articolo pubblicato ora su Nature Photonics, Piccardo e i suoi collaboratori hanno introdotto un cambiamento di paradigma nella modellazione della luce spaziotemporale. A differenza dei modellatori convenzionali che separano i diversi colori lungo una striscia colorata, ora i ricercatori hanno utilizzato un tipo speciale di reticolo di diffrazione con simmetria circolare, per creare un arcobaleno rotondo di colori.

Questo è un esperimento che tutti possono provare a casa: puntando una torcia su un vecchio CD-ROM e scattando una foto con la fotocamera del telefono, verrà catturato un arcobaleno rotondo. Ora, sostituisci la torcia con un impulso laser ultracorto e il CD-ROM con un dispositivo diffrattivo microstrutturato fabbricato nella camera bianca di nanofabbricazione e sei a metà dell'esperimento. La seconda parte dell'esperimento consiste nell'utilizzare ologrammi avanzati per strutturare i molteplici colori della luce in diversi vortici ottici a forma di cavatappi.

"Ciò si traduce in una nuova famiglia di fasci di luce spaziotemporali, che si evolvono su una scala temporale ultrabreve di femtosecondi con una struttura di luce contorta e ampiamente personalizzabile", ha affermato Marco Piccardo. "Apre possibilità di progettazione senza precedenti nel campo della fotonica, con molti componenti spettrali e strutturali da affrontare."

La natura a banda larga di questi nuovi fasci di luce pone nuove sfide per la loro caratterizzazione, che il team ha superato sviluppando una potente tecnica di ricostruzione, chiamata olografia iperspettrale, fornendo la tomografia completa delle complesse strutture spazio-temporali.