Laser su Misura: Generare Fasci di Luce ‘Invincibili’ a Comando!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi appassiona da morire nel mondo dell’ottica: i fasci laser non diffrangenti. Immaginate un raggio laser che se ne frega delle regole della fisica classica e viaggia per lunghe distanze senza allargarsi, mantenendo la sua forma. Figo, vero? Questi fasci sono una manna dal cielo per un sacco di applicazioni, dalle pinzette ottiche super precise all’imaging ad alta risoluzione, fino alla lavorazione laser e alle comunicazioni ottiche.

La Sfida Storica: Laser un po’ Rigidi

Per anni, generare questi “super-fasci” direttamente da una sorgente laser è stato un bel rompicapo. I laser tradizionali sono un po’ “rigidi”: la loro struttura interna, la cavità, ha una simmetria ben definita (cilindrica, cartesiana, ecc.) e questo limita i tipi di fasci che possono produrre. Era come avere uno stampino per biscotti: potevi fare solo quella forma lì. Cambiare forma? Significava smontare e rimontare tutto, magari cambiando pezzi costosi. Un lavoraccio! E certi tipi di fasci, come quelli con una struttura a spirale (li chiamiamo “vortici ottici” o con “fronte d’onda elicoidale”), erano praticamente impossibili da ottenere direttamente dalla sorgente. Tra questi “desiderata” c’erano anche i fasci Parabolic-Gauss, soluzioni dell’equazione di Helmholtz in coordinate paraboliche, rimasti a lungo fuori dalla portata della generazione diretta in cavità.

La Svolta Digitale: Il Laser Flessibile

Ma ecco dove entriamo in gioco noi (o meglio, la tecnologia che abbiamo sviluppato!). Abbiamo pensato: e se potessimo rendere la cavità laser… digitale e super flessibile? L’idea chiave è usare non uno, ma due “specchi” digitali all’interno del laser. Questi specchi non sono specchi normali, ma modulatori spaziali di luce (SLM), dei dispositivi pazzeschi che possiamo programmare al computer per controllare la fase della luce punto per punto. Immaginateli come due schermi super avanzati che modellano il fronte d’onda del laser alle due estremità della cavità.

Questa tecnica, che chiamiamo laser digitale a doppia modulazione di fase, ci permette di fare magie. Controllando con precisione la fase su questi due “specchi digitali”, possiamo creare le condizioni perfette all’interno della cavità per far “nascere” e mantenere stabili praticamente qualsiasi tipo di fascio non diffrangente che ci venga in mente, anche quelli più strani e complessi!

I Nostri Risultati: Un Arcobaleno di Fasci Speciali

E i risultati? Beh, sono stati entusiasmanti! Per la prima volta in assoluto, siamo riusciti a generare direttamente dalla cavità laser i famosi fasci Parabolic-Gauss (PG). Ma non ci siamo fermati qui. Il nostro laser digitale ha sfornato con disinvoltura anche:

• Fasci Bessel-Gauss (BG), i “capostipiti” dei fasci non diffrangenti.
• Fasci Mathieu-Gauss (MG), che hanno una simmetria ellittica.
• E, tenetevi forte, anche le versioni “vortice” di questi fasci (vortex BG, helical MG, traveling PG), quelli con il fronte d’onda a spirale che trasportano momento angolare orbitale, richiestissimi in fotonica!

La cosa fantastica è che possiamo passare da un tipo di fascio all’altro, o cambiarne le caratteristiche, semplicemente caricando un nuovo “programma” (un diagramma di fase) sugli SLM. Niente più cacciaviti e chiavi inglesi! Tutto in tempo reale, dinamicamente.

Un’Occhiata più da Vicino: Gli Helmholtz-Gauss

Magari vi state chiedendo cosa siano esattamente questi fasci “*-Gauss”. Tecnicamente, parliamo di fasci Helmholtz-Gauss. I fasci non diffrangenti *ideali* (come il fascio di Bessel puro) richiederebbero energia infinita, cosa impossibile nella realtà. Quelli che generiamo noi sono “quasi” non diffrangenti (o pseudo-non diffrangenti). Sono il risultato della moltiplicazione tra un fascio non diffrangente ideale e un fascio Gaussiano (il classico fascio laser “a campana”). Questo “involucro” Gaussiano limita l’estensione laterale del fascio, rendendolo fisicamente realizzabile, ma conserva le proprietà di non-diffrattività per una distanza finita, chiamata (z_{max}).

La bellezza sta nel fatto che, giocando con la larghezza di questo involucro Gaussiano (il parametro (w_0)), possiamo controllare sia la dimensione trasversale del fascio sia la distanza per cui si propaga senza allargarsi ((z_{max})). Più largo è l’involucro, più a lungo il fascio mantiene la sua forma. E indovinate un po’? Con il nostro laser digitale, possiamo regolare (w_0) semplicemente cambiando il pattern di fase sull’SLM!

Come Funziona la Magia (in Breve)

Vi spiego brevemente come facciamo a “dire” al laser quale fascio produrre. Tutto si basa sul calcolo dei giusti diagrammi di fase da caricare sui due SLM. Partiamo dalla descrizione matematica del fascio desiderato (ad esempio, un Parabolic-Gauss di un certo ordine). Usando le leggi della propagazione della luce (l’equazione di diffrazione di Fresnel), calcoliamo come sarebbe il fronte d’onda di quel fascio se arrivasse sulla superficie del primo SLM. Il diagramma di fase che carichiamo sull’SLM è progettato per essere il “coniugato complesso” di questa fase (moltiplicato per due, tecnicamente). In pratica, l’SLM agisce come uno specchio su misura che riflette la luce esattamente nel modo giusto per mantenere stabile quel preciso fascio all’interno della cavità.

Facciamo lo stesso per il secondo SLM. Il risultato è che solo il fascio “bersaglio” trova le condizioni ideali per l’oscillazione laser e viene amplificato, mentre tutti gli altri modi indesiderati vengono soppressi. Usiamo anche un trucchetto: nelle zone dove l’intensità del fascio desiderato è molto bassa, applichiamo un pattern a scacchiera (0-π) sul diagramma di fase dell’SLM. Questo “disturba” ulteriormente i modi spuri, aumentando la purezza del fascio che otteniamo in uscita.

Flessibilità senza Precedenti

La vera potenza di questo approccio è la flessibilità. Vogliamo un fascio Bessel-Gauss con un certo “numero d’onda trasversale” (k_t) (che influenza la dimensione del lobo centrale e la distanza di non-diffrazione)? Basta caricare il diagramma di fase corrispondente. Vogliamo passare a un fascio Mathieu-Gauss elicoidale con parametri diversi? Click, nuovo diagramma di fase. Vogliamo un fascio Parabolic-Gauss con un involucro Gaussiano più largo ((w_0)) per farlo viaggiare più lontano? Click, altro diagramma di fase.

Pensate alla comodità rispetto ai metodi tradizionali, dove (k_t) era fissato dall’angolo di un axicon o dalla dimensione di un’apertura anulare, elementi fisici che non si possono cambiare al volo. Il nostro laser digitale apre le porte a esperimenti e applicazioni dove è necessario adattare dinamicamente le proprietà del fascio laser.

Abbiamo dimostrato sperimentalmente questa flessibilità generando fasci PG, BG e MG con diversi ordini, diversi (w_0) e diversi (k_t). Ad esempio, abbiamo generato fasci PG di tipo “even” e “traveling”, fasci BG vortice con carica topologica da 1 a 3 (verificando la loro struttura a spirale con l’interferenza), e fasci MG di tipo “even”, “odd” ed elicoidali. Abbiamo anche mostrato come, aumentando (w_0), il fascio diventi più largo e mostri più anelli esterni, e come cambiando (k_t) si modifichi la dimensione del lobo centrale e l’aspetto del fascio nel campo lontano (il suo spettro angolare).

Limiti e Prospettive Future

Ovviamente, non è tutto oro quello che luccica. Ci sono dei limiti. La risoluzione dell’SLM (la dimensione dei suoi pixel) limita la complessità (la “frequenza spaziale”) dei diagrammi di fase che possiamo creare, e quindi il massimo valore di (k_t) che possiamo raggiungere. Inoltre, l’efficienza con cui l’SLM devia la luce nel modo desiderato (efficienza di diffrazione) diminuisce per pattern molto complessi. Questo significa che per generare fasci molto “strutturati” o con (k_t) elevati, servirebbe più potenza di pompa per superare le perdite introdotte dagli SLM. Nel nostro setup attuale, siamo limitati a (k_t) intorno a 20 mm⁻¹ dalla potenza di pompa disponibile.

Un altro limite pratico è che, per generare fasci con un involucro Gaussiano (w_0) molto largo, serve un’area di guadagno nel cristallo laser altrettanto larga, il che può essere difficile con il pompaggio tradizionale “end-pumped” (da un’estremità).

Ma siamo ottimisti! Si possono pensare a soluzioni:

• Usare schemi di pompaggio laterale (“side-pumping”) per avere un guadagno più uniforme su un’area maggiore.
• Modificare la configurazione della cavità digitale, ad esempio usando una configurazione “4f” con un telescopio interno, che potrebbe ridurre le perdite dovute alla diffrazione sull’SLM e permettere di generare fasci di ordine superiore.
• Aspettare i progressi nella tecnologia SLM: dispositivi più veloci, più efficienti, più resistenti alla potenza e magari indipendenti dalla polarizzazione della luce renderebbero questi laser digitali ancora più potenti e versatili.

Conclusioni: Un Futuro Luminoso (e Strutturato)

In conclusione, abbiamo dimostrato che un laser digitale a doppia modulazione di fase è uno strumento incredibilmente potente e flessibile per generare on-demand una vasta gamma di fasci laser non diffrangenti Helmholtz-Gauss. Aver generato per la prima volta direttamente in cavità i fasci Parabolic-Gauss e le versioni elicoidali di vari fasci Helmholtz-Gauss è un passo avanti significativo.

Questa tecnologia apre scenari affascinanti per tutte quelle applicazioni che possono beneficiare di fasci di luce “scolpiti” su misura e controllabili dinamicamente. Certo, c’è ancora lavoro da fare per superare i limiti attuali, soprattutto in termini di potenza d’uscita, ma il potenziale dei laser digitali per rivoluzionare l’uso dei fasci non diffrangenti è enorme. Il futuro dell’ottica laser si preannuncia sempre più… strutturato!

Fonte: Springer