RICERCA ITALIANA     

Compressione temporale di impulsi di radiazione laser mediante controllo coerente

Università degli Studi di Firenze

Abstract

In questo progetto viene proposto lo studio, sia teorico che sperimentale, della compressione temporale di un impulso laser mediante tecniche di controllo coerente basate sul fenomeno dell'Electromagnetically Induced Transparency. Questo processo permette il controllo della risposta ottica del materiale ed è un caso particolare di quello che è stato chiamato controllo coerente della polarizzazione del mezzo materiale e che ha rappresentato negli ultimi anni un vasto campo di ricerca. I gruppi che propongono la presente ricerca sono attivi in questo campo da molti anni sia sperimentalmente che teoricamente.

La ricerca sperimentale consisterà nell'osservarzione, studio ed ottimizzazione del fenomeno di compressione nella regione spettrale del visibile e nel dominio temporale dei nanosecondi, utilizzando campioni di atomi alcalini caldi allo stato gassoso contenuti in celle. Lo studio teorico sarà incentrato nella realizzazione di un realistico modello teorico/numerico che fornisca un'approfondita conoscenza dei limiti raggiungibili e che permetta di predire e riprodurre i risultati sperimentali. I lavori teorico e sperimentale saranno fortemente interconnessi in modo tale da progettare in modo ottimale gli esperimenti, interpretare i risultati degli stessi e studiare i limiti raggiungibili con la tecnica proposta. La stretta collaborazione fra le due unità, si presenta quindi come un elemento cruciale per il successo del progetto.

In prospettiva, la realizzazione del presente progetto fornirebbe una base solida per lo studio del controllo coerente di forme temporali arbitrarie nel dominio spettrale del vuoto (VUV) ed estremo ultravioletto (XUV). Inoltre, potrebbe portare alla realizzazione di una sorgente di impulsi laser di durata temporale variabile con continuità nel dominio dei nano-picosecondi. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Stefano CAVALIERI Università degli Studi di FIRENZE

Obiettivo del Programma di Ricerca

Questo progetto di ricerca si propone lo studio, sia teorico che sperimentale, della compressione temporale di un impulso di radiazione laser mediante tecniche di controllo coerente basate sul fenomeno dell'Electromagnetically Induced Transparency.
In esso possono essere riconosciuti una serie di obiettivi – essenzialmente coincidenti con le fasi temporali in cui viene organizzato (vedi 2.3) – che possono costituire la base sulla quale valutare a posteriori la riuscita del progetto stesso.

L'obiettivo principale è la conferma sperimentale delle indicazioni previste dal nostro modello teorico (Ref. 46 e 47 di 2.2a). Ciò prevede l'osservazione del fenomeno di compressione utilizzando campioni di atomi caldi in fase gassosa in cella e laser impulsati monomodo operanti nella regione spettrale del visibile e nel dominio temporale dei nanosecondi.

Ulteriori espliciti obiettivi consistono nell'individuazione sperimentale dei limiti che possono essere raggiunti dalla tecnica proposta in termini di intensità e durata temporale dell'impulso laser compresso e la realizzazione di un realistico modello teorico/numerico – che estenda i precedenti lavori (Ref. 46 e 47 di 2.2a) prendendo in considerazione processi concomitanti finora trascurati – al fine di predire e riprodurre i risultati sperimentali.

Un obiettivo implicito che sarebbe automaticamente raggiunto, una volta soddisfatti quelli dei punti precedenti, è l'acquisizione di tecniche sperimentali, strumentazione e conoscenze teorico-modellistiche che possano costituire la base per una futura estensione dello studio proposto alla regione spettrale del vuoto ed estremo ultravioletto. Vale la pena sottolineare che tecniche di "pulse shaping" in questa regione spettrale non sono realizzabili dall'attuale tecnologia a stato solido, mentre sono previste dal nostro modello utilizzando gas rari quale mezzo attivo (Ref. 47 di 2.2a). <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Progressi in ottica sono stati frequentemente connessi allo sviluppo di nuovi materiali con caratteristiche ottiche ottimizzate. Per esempio l'introduzione di nuovi cristalli portò negli anni 70' e 80' a sostanziali miglioramenti nell'efficienza di conversione nella regione spettrale nell'ultravioletto.
In anni recenti la preparazione coerente del mezzo è stata proposta come un nuovo modo per produrre importanti cambiamenti nelle proprietà ottiche di un mezzo gassoso molecolare o atomico. In questo caso è la coerenza indotta dal campo laser che porta a interferenze quantistiche fra diversi cammini di eccitazione che controlla la risposta ottica del mezzo.
Il controllo della risposta ottica del mezzo materiale è un caso particolare di quello che è stato chiamato controllo coerente della polarizzazione del mezzo che porta al controllo di processi quali fotoionizzazione, fotodissociazione e, in generale, transizioni verso stati legato o del continuo in mezzi gassosi atomici e molecolari e mezzi solidi. Molti sono stati gli studi sia di ricerca fondamentale che finalizzati ad applicazioni spettroscopiche (1-14).
I gruppi che propongono la presente ricerca sono attivi da molti anni in questo campo sia sperimentalmente che teoricamente (15-29).

Ai fini della presente proposta, è di particolare importanza il fatto che, usando tecniche di controllo coerente è possibile creare un mezzo ottico perfettamente trasparente nel quale la velocità della luce può essere ridotta enormemente.
Questo richiede la preparazione di atomi "vestiti" da radiazione laser per creare quella che è stata chiamata "trasparenza indotta da radiazione elettromagnetica" (EIT) (30,31).
Nell' EIT un sistema atomico a tre livelli interagisce con due campi laser risonanti con transizioni atomiche. Un campo intenso di accoppiamento interagisce con due stati eccitati non popolati (2 e 3) mentre un campo debole di prova è accoppiato alla transizione 1-3 (1 è lo stato fondamentale). La presenza del campo intenso produce la sovrapposizione di stati atomici coerenti ed induce interferenze quantistiche che inducono una trasparenza nel profilo di assorbimento ed una forte pendenza nella curva di dispersione alla frequenza del campo laser di prova.
La caratteristica notevole è che, invece della familiare curva anomala di dispersione che si osserva a risonanza in condizioni normali, nell'EIT si osserva una dispersione normale dove l'assorbimento è trascurabile, con una pendenza lineare controllata dall'intensità del laser di accoppiamento. Ciò porta a fenomeni quali propagazione della luce a velocità bassissime con compressione spaziale longitudinale degli impulsi laser.
Nel primo esperimento che ha dimostrato questo effetto, Harris e collaboratori hanno osservato una velocità di propagazione uguale a c/165 di un impulso di prova a 283 nm della durata di 5 ns in una cella lunga 10 cm riempita di vapori di piombo (32).
Per ottenere velocità di propagazioni inferiori bisogna massimizzare gli effetti di interferenza quantistica attraverso un effetto Doppler trascurabile, per cui, di norma, è necessario ridurre l'agitazione termica degli atomi. Hau et al. hanno usato atomi di sodio, raffreddati con tecniche laser ad una temperatura inferiore a 450 nK, per produrre impulsi di luce con una velocità di propagazione di 17 m/s (33). In particolari schemi atomici sono stati ottenuti rallentamenti importanti anche in campioni di atomi caldi fino a decine di m/s (34,35)
Preparazioni coerenti di mezzi materiali sono molto efficaci e sono state principalmente studiate in campioni atomici e molecolari in fase gassosa. La ragione risiede nell'evoluzione coerente degli stati che è, in generale, inibita dal defasamento dell'ampiezza degli stati: questi defasamenti sono relativamente piccoli nei gas in confronto con quanto accade nei mezzi solidi. Nonostante questo diversi gruppi hanno recentemente fatto importanti progressi nell'applicazione di queste tecniche a vari sistemi solidi (36-39) e rallentamenti fino a 45 m/s sono stati ottenuti (40) in un cristallo a bassa temperatura(5 K).
La riduzione della velocità di propagazione, associata con l'eliminazione dell'assorbimento, è una sorprendente prova dei cambiamenti delle proprietà ottiche degli atomi "vestiti" e questi cambiamenti non sono limitati alle proprietà ottiche lineari. In effetti, associato con l'EIT, si osserva anche un cambiamento delle proprietà ottiche non lineari (31,41).
Questo punto è potenzialmente di notevole interesse per la generazione non lineare di impulsi di radiazione nella regione spettrale del vuoto (VUV) o estremo (XUV) ultravioletto e attenti studi sono necessari per identificare schemi atomici utili allo scopo (42,43).

Più recentemente la ricerca, sia teorica che sperimentale, si è rivolta verso tecniche di "light storage" (44). Evidenza sperimentale della possibilità di controllare la forma temporale di campi laser nella regione spettrale del visibile e nel regime temporale dei microsecondi è stata riportata dal gruppo di Hau (45) in atomi raffreddati con tecniche laser.
Inoltre è stato recentemente pubblicato uno studio teorico che discute e spiega come sfruttare le peculiarità della dinamica di propagazione in presenza di EIT al fine di controllare in modo coerente la forma temporale di impulsi laser (46). Un punto centrale è che l'impulso laser di accoppiamento può essere nella regione spettrale dell'infrarosso o del visibile – dove tecniche di "shaping" temporale sono disponibili da un punto di vista sperimentale – mentre l'impulso laser di "probe" può essere nella regione spettrale dell'ultravioletto vuoto (VUV) o anche estremo ultravioletto (XUV), dove la tecnica di "shaping" temporale proposta appare quindi come unica.
La compressione di impulsi laser nelle regioni spettrali del VUV ed XUV appare come un'interessante applicazione delle tecniche di "shaping" temporale descritte in (46) e può fornire importanti applicazioni di ottica non lineare a piccola lunghezza d'onda.
Recentemente, seguendo le indicazioni riportate in (46), è stato individuato e studiato da un punto di vista teorico un caso realistico che appare molto promettente (47). Calcoli numerici mostrano come una compressione temporale di due ordini di grandezza (da 10 ns a 100 ps) di un impulso laser di "probe" sia ottenibile sotto condizioni sperimentali rilassate (atomi a temperatura ambiente e intensità del laser di accoppiamento dell'ordine di 1 MW/cm^2) (47). <<<