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CNR: Alamanacco della Scienza

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N. 6 - 26 mag 2010
ISSN 2037-4801

Focus - 50 anni di laser  

Tecnologia

Qcl, e la lunghezza d'onda diventa variabile

Si deve a Federico Capasso, fisico italiano trapiantato negli Stati Uniti, nei Laboratori Bell, l'invenzione, nel 1994, del Laser a cascata quantica (Qcl) che ha aperto nuovi orizzonti applicativi. Ma qual è la differenza tra un laser a diodo tradizionale e un Qcl? Come spiega lo stesso Capasso, "il Qcl è il primo laser la cui lunghezza d'onda di emissione può essere fissata a piacimento, durante la fabbricazione, in un intervallo dello spettro elettromagnetico che va dal medio al lontano infrarosso. Ciò si realizza cambiando solo lo spessore degli strati costitutivi del laser e usando la stessa combinazione di materiali".

È questa una caratteristica che rende i Qcl sorgenti ideali per una varietà molto ampia di applicazioni, come conferma Davide Mazzotti, dell'Istituto nazionale di ottica (Ino) del Cnr di Firenze: "Oggi, si  possono costruire Qcl diversi, ognuno con una sua lunghezza d'onda che può andare da 3 a quasi 200 micron nell'intervallo spettrale del medio e lontano infrarosso (regione del Terahertz)".

Grazie all'attività svolta nei laboratori dell'Ino-Cnr è stato possibile verificare sperimentalmente il cosiddetto 'limite della purezza spettrale' dei Qcl. "Nei laser a diodo tradizionali", spiega Saverio Bartalini dell'Ino-Cnr, "tale limite è dovuto alla presenza del fenomeno dell'emissione spontanea di fotoni da parte degli elettroni, quando decadono nella banda di valenza. Emissione che avviene in modo casuale e in ogni direzione e che crea un rumore di fase che disturba la coerenza del raggio di luce".

Eseguendo per la prima volta la misura diretta della larghezza intrinseca di emissione di un Qcl i ricercatori Ino-Cnr sono riusciti a verificare sperimentalmente la validità della teoria di Yamanishi, che nel 2008 aveva previsto, per i Qcl, il superamento del limite della purezza spettrale.

"Nel Qcl", spiega Saverio Bartalini, ricercatore Ino-Cnr, "il fenomeno dell'emissione spontanea di fotoni non è dominante, a causa della presenza di processi non radiativi dovuti ad altri tipi di interazione. Questo fa sì che la coerenza di questi laser si mantenga meglio e sia migliore rispetto a quelli dove domina il processo di emissione spontanea. Abbiamo visto che questo laser ha una larghezza intrinseca molto più stretta, ovvero una monocromaticità maggiore, proprio come è stato ipotizzato due anni fa da Yamanishi. Una caratteristica che potrà essere sfruttata per aumentare sensibilmente la precisione e l'accuratezza degli esperimenti di rivelazione e studio di molecole di volta in volta diverse".

"Noi", sottolinea Mazzotti, "abbiamo caratterizzato un Qcl che opera a 4.33 micron, una piccola regione spettrale che corrisponde alla lunghezza d'onda di assorbimento di una molecola molto comune nell'atmosfera, la CO2".

"Questa verifica sperimentale", conclude Bartalini, "conferma la validità della teoria generale sulla coerenza dei laser, riassunta nella storica formula di Schawlow-Townes che deve essere, però, riformulata per i Laser a cascata quantica, in modo da tenere conto del nuovo effetto scoperto".

Il risultato ottenuto dai ricercatori Ino-Cnr si è meritato la recente pubblicazione su una delle più prestigiose riviste internazionali di fisica, Physical Review Letters, e la notizia è stata poi riportata su Physics Today, la 'vetrina' più importante della fisica mondiale.

Rita Lena

Fonte: Saverio Bartalini, Centro di responsabilità scientifica INOA, Firenze , email saverio.bartalini@ino.it - Davide Mazzotti, Centro di responsabilità scientifica INOA, Firenze, tel. 055/5252500 , email davide.mazzotti@ino.it -