Come generare impulsi luminosi con un laser

Per generare impulsi luminosi con un laser bisogna operare sulla lunghezza d'onda e usare dei modulatori di ampiezza

Per generare impulsi luminosi con un laser, bisogna prima ottenere un fascio regolare di impulsi: ogni lunghezza d’onda deve essere uniformemente separata dal resto e ciascuna delle onde ha bisogno di avere un rapporto fisso di fase. Serve anche un modulatore di ampiezza, che passi il fascio di luce ad una velocità di circa 10GHz e un secondo modulatore, fuori fase rispetto al primo, per accorciare gli impulsi luminosi.

Impulsi luminosi da un laser: come si fa?

Come si generano impulsi luminosi molto brevi con un laser? Questi impulsi sono in genere più brevi di 50 picosecondi (un ps = 10-12 secondi). Nel mondo dell’elettronica, semplicemente non è possibile modulare un flusso di luce abbastanza veloce per la produzione di questi impulsi. La scala temporale che regola i laser stabilisce quanto tempo impiega un fotone per fare un passaggio completo attraverso il laser, e per quanto tempo una molecola o uno ione eccitato resti nello stato, ma queste misurazioni sono di solito più lunghe dei tempi di commutazione dell’elettronica. Quindi, sembra che fare impulsi più brevi sia impossibile.

Eppure, esistono sistemi laser che producono impulsi più brevi di 5 FS (1FS = 10-15 secondi). La chiave per capire questo è riconoscere che esiste una relazione tra il minor impulso possibile e la larghezza di banda spettrale dell’impulso di luce. In sostanza, per fare un impulso molto breve, è necessario mettere insieme uno spettro molto ampio.

Per ottenere un fascio regolare di impulsi luminosi, abbiamo bisogno di due cose. In primo luogo, ogni lunghezza d’onda deve essere uniformemente separata dal resto, in termini di energia del fotone o della frequenza. Ciascuna delle onde ha anche bisogno di avere un rapporto fisso di fase.

La progettazione di un laser si occupa del primo problema. Un laser è un materiale che aumenta la quantità di luce disponibile, posto tra specchi. La luce che si riflette su questi specchi si incontra dopo ogni giro. Se la luce non ha percorso esattamente la giusta distanza, interferisce distruttivamente e “svanisce”. Passiamo ora alla seconda parte. Per fare questo, bisogna operare alcune correzioni nel laser che comunica la fase di una lunghezza d’onda a quella successiva. Se questa comunicazione è abbastanza forte, tutte queste lunghezze d’onda si sommano in fase e viene generato un impulso che spazia attraverso il mezzo di guadagno ed è fortemente amplificato. Tutte le lunghezze d’onda con la fase errata non vengono amplificate perché l’impulso ha rubato tutto il guadagno, in modo da morire, lasciando un unico impulso che viaggia avanti e indietro tra gli specchi.

Modulatori di ampiezza per regolare gli impulsi luminosi

Per generare impulsi luminosi molto brevi, sono necessarie molte lunghezze d’onda, e il mantenimento della fase di chiusura diventa una sfida tecnica. Ma è possibile evitare questo problema prendendo una singola lunghezza d’onda di luce e aggiungendo l’energia in unità discrete ad essa, costruendo progressivamente una serie di lunghezze d’onda tutte bloccate in fase.

Uno degli effetti di modulazione di ampiezza è ampliare la larghezza di banda spettrale della luce. In sostanza, il modulatore di ampiezza passa il fascio di luce generato ad una velocità di circa 10GHz, con impulsi di 100ps. A sostegno di questi impulsi, la frequenza singola del laser guadagna unità di 10GHz nelle bande laterali.

Dato che un tasso di 10GHz di commutazione non è molto veloce, i ricercatori hanno aggiunto un secondo modulatore di ampiezza che è fuori fase con il primo. Questo serve ad accorciare gli impulsi, portando la durata dell’impulso fino a circa 50ps. Viene anche aggiunto un modulatore di fase alla fine della catena. Questo riorganizza le fasi di tutte le differenti componenti di frequenza. Infine, l’atto di modulazione di fase aggiunge anche le bande laterali ad ogni componente di frequenza, in modo che la larghezza di banda spettrale venga aumentata ancora di più. Con questo procedimento, gli impulsi luminosi generati vengono accorciati di circa 2ps.

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