RICERCA ITALIANA     

Programma di ricerca

Amplificatori e sorgenti laser integrati in guide solitoniche in Er:LiNbO3

Università di riferimento

Università degli Studi di ROMA "La Sapienza" - ENERGETICA - ROMA(RM)

Responsabile dell'Unità di ricerca

Eugenio FAZIO

Descrizione

Il compito dell'Unità di Ricerca dell'Università di Roma "La Sapienza" è quello di realizzare solitoni spaziali in cristalli di niobato di litio drogato con erbio, studiarne le caratteristiche di scrittura, le proprietà di guida, e successivamente utilizzarle per la realizzazione di sorgenti laser integrate, sia singole che in matrici.
L'idea base che sarà seguita, caratterizzante il lavoro, è la scrittura di guide solitoniche, mediante la formazione di solitoni spaziali, impiegando il fascio luminoso di pompaggio per l'effetto laser. In questo modo lo stesso fascio luminoso avrebbe due funzioni contemporaneamente: la scrittura della guida entro cui avere effetto laser ed il pompaggio della guida stessa. Si avrebbero così 3 vantaggi fondamentali: 1) l'efficienza di pompaggio sarebbe massima, essendo la guida scritta dalla luce del pompaggio; 2) si avrebbe una sovrapposizione ottimale tra la guida ed il modo alla lunghezza d'onda di emissione, per la mono-modalità della guida simmetrica realizzata e la bassa variazione di indice di rifrazione indotta; 3) si avrebbe un perfetto modo trasversale di emissione TEM00, ma non gaussiano bensì solitonico, cioè a secante iperbolica quadra, ottimizzato direttamente dalla luce per la propagazione confinata.
Queste caratteristiche sono assolutamente nuove, e non ottenibili con le tecniche tradizionali di costruzione delle guide d'onda. Tuttavia i vantaggi della nuova tecnica proposta non sono solo in termini di efficienza, e qualità modale: infatti con la tecnologia solitonica si potranno facilmente realizzare matrici di laser funzionanti in parallelo. Questo obiettivo NON è raggiungibile con le tradizionali tecniche di fabbricazione.

Tale studio sarà reso possibile dalla sinergia con le altre Unità di Ricerca del Consorzio senza le quali il progetto non potrebbe essere realizzato. Infatti la complementarietà delle competenze delle Unità di Ricerca permetterà di avere: A) per prima cosa la realizzazione di campioni di elevata qualità mono-cristallina e ottica, siano essi cristalli massivi (UNIPD) o fibre (UNIPI); B) un quadro completo delle proprietà base del materiale, in termini di struttura cristallina (UNIPD), concentrazione dell'erbio emissivo (UNIPD-UNIPI), sua interazione con il reticolo ospitante (UNIPD) o con eventuali altri elementi inseriti appositamente per aumentare sia l'effetto fotorifrattivo che l'emissività (UNIPD-UNIPI-UNIROMA1); C) tecnologia solitonica (UNIROMA1) e competenze nella realizzazione di laser ed amplificatori (UNIPI-UNIROMA1). Questo quadro sarà reso possibile grazie ad un continuo e proficuo scambio di informazioni, campioni ed eventualmente personale tra i gruppi, al fine di ottimizzare i processi di crescita/caratterizzazione/scrittura/emissione laser in funzione dei risultati degli altri, e soprattutto una diretta presa di coscienza da parte delle varie Unità di Ricerca delle problematiche sperimentali delle altre.

PIANO DI LAVORO
Il lavoro specifico dell'Unità di Ricerca di Roma "La Sapienza" può essere così schematizzato:
obiettivo 1 realizzazione di solitoni spaziali in niobato di litio massivo drogato usando fasci laser a diverse lunghezze d'onda e diverse potenze. Sotto-obiettivo 1.1 scrittura di solitoni spaziali in fibre mono-cristalline di niobato di litio drogato erbio. Sotto-obiettivo 1.2 Realizzazione di matrici solitoni.
Obiettivo 2 Caratterizzazione delle guide solitoniche associate, e loro stabilità nel tempo.
Obiettivo 3 Caratterizzazione dell'emissione spontanea amplificata (ASE) e realizzazione dell'emissione laser.
Obiettivo 4 Ottimizzazione del processo laser mediante processi ottici sui solitoni e mediante processi chimici sui cristalli. Sotto-obiettivo 4.1 Realizzazione di matrici di laser.

OBIETTIVO 1
Il primo obiettivo è la realizzazione di solitoni spaziali nei campioni di niobato di litio drogato con erbio realizzati dall'Unità UNIPD. Si partirà con un'analisi spettrografica in assorbimento per determinare, in maniera selettiva, le bande di assorbimento del materiale massivo ospite, il niobato di litio, e dell'erbio inserito come drogante. Tale analisi sarà il primo "round-robin" di confronto e messa a punto degli apparati sperimentali delle Unità del consorzio che effettueranno analisi spettroscopiche di assorbimento e di emissione di luminescenza nel visibile, UNIPD e UNIROMA1, nell'infrarosso, UNIPI e UNIROMA1. In base ai risultati ottenuti, si sceglieranno le lunghezze d'onda di lavoro per la formazione solitonica, utilizzando sia lunghezze d'onda nel visibile (tipicamente nel verde, ove il niobato di litio ha già dimostrato di essere sensibile) che lunghezze d'onda infrarosse (dove invece l'erbio è più attivo ed il pompaggio più efficiente). Si hanno alcune transizioni dell'erbio che potrebbero effettuare un trasferimento efficiente di carica sui livelli di emissione intorno a 1.55 um: alcune transizioni sono nella regione spettrale 510-540 nm, che può essere coperta dalle righe laser 514-527-532 nm; in letteratura si trovano lavori in cui è riportato pompaggio efficiente a 800 nm ed a 980 nm. Il laboratorio dispone già di sorgenti per tutte queste lunghezze d'onda eccetto 980nm anche se i 527 nm hanno una potenza di emissione limitata, che potrebbe non essere sufficiente qualora fosse scelta come pompaggio. Con il finanziamento del progetto si acquisirà una sorgente a 980nm.
Le problematiche aperte su cui si baserà la sperimentazione sulla formazione di solitoni con diverse lunghezze d'onda sono i seguenti: A) determinazione della effettiva efficienza fotorifrattiva in questo nuovo materiale, mai utilizzato finora; B) misura sperimentale dell'effetto fotovoltaico sia in campioni drogati che non drogati al fine di comprendere l'interazione del drogante con il materiale ospite e soprattutto di determinarne un eventuale trasferimento di carica; C) lo spostamento alle lunghezze d'onda infrarosse, privilegiato per il pompaggio laser, potrebbe essere controproducente per la formazione solitonica. Si caratterizzeranno così sia le efficienze solitoniche nel verde che nell'infrarosso; D) per effettuare il pompaggio laser devono essere utilizzati laser di potenza che non sono mai stati impiegati, fino ad oggi, per la realizzazione di solitoni fotorifrattivi: si studierà la formazione solitonica mediante fasci di elevata potenza, e la capacità delle guide solitoniche di trasportare potenza luminosa.
Sotto-obiettivo 1.1: l'Unità di Ricerca UNIPI è specialista in Italia per la crescita di fibre mono-cristalline in LNB. Uno degli obiettivi del gruppo è la realizzazione di fibre mono-cristalline in LNB drogato con erbio, di dimensione trasversale variabile tra i 100 um ed i 2 mm. Sarà progettato e realizzato un apparato sperimentale per la formazione di fasci solitonici entro tali fibre ed il loro impiego per la realizzazione di amplificatori e sorgenti laser in fibra.
Sotto-obiettivo 1.2: Per la realizzazione di questo sotto-obiettivo si prenderanno in esame 2 strade: 1) si studieranno ologrammi in grado di focalizzare un fascio laser non in un singolo punto ma in una matrice di punti al fine di realizzare matrici di solitoni; 2) si prenderanno in esame matrici di fibre ottiche, ognuna delle quali porterebbe un segnale che, una volta focalizzato sul campione, darebbe origine ad un fascio solitonico e di conseguenza ad un laser. Tutte e 2 le strade descritte porterebbero a matrici di sorgenti laser funzionanti contemporaneamente. Tuttavia la seconda sarebbe in parte più interessante della prima poiché darebbe un comportamento indipendente di ognuna delle sorgenti laser finali ottenute.
OBIETTIVO 2
La seconda fase della sperimentazione riguarderebbe la caratterizzazione delle guide solitoniche realizzate in termini di: perdite di inserzione e di propagazione, capacità di trasportare lunghezza d'onda diverse da quelle di generazione; sovrapposizione tra il modo di pompaggio ed il modo alla lunghezza d'onda di emissione; capacità di trasportare potenza luminosa; stabilità nel tempo ed eventuale misura della corrente fotovoltaica generata durante la propagazione di un fascio infrarosso. Queste prove saranno realizzate contemporaneamente dalle 3 unità del consorzio su guide d'onda solitoniche realizzate a Roma su cristalli cresciuti a Padova. Successivamente saranno confrontati i risultati delle 3 Unità per ottimizzare gli apparati di misura e la sensibilità.
Per quanto riguarda le tecniche utilizzate presso l'Unità di Roma, le perdite di propagazione saranno misurate osservando con un microscopio interfacciato ad una telecamera la luce diffusa e da qui il decadimento dell'intensità luminosa trasportata. Le perdite di inserzione saranno calcolate per differenza a partire dalle perdite totali e da quelle di propagazione. La misura di propagazione ad una lunghezza d'onda diversa dal pompaggio e la misura di sovrapposizione modale saranno effettuate con tecniche standard per il laboratorio di misura del profilo luminoso in propagazione mediante registrazione con telecamera del profilo luminoso in uscita ed in propagazione nella guida. La misura di trasporto di potenza luminosa sarà effettuata osservando nel tempo il profilo del modo propagato e contemporaneamente misurando la corrente fotovoltaica prodotta, quando viene inviato un fascio luminoso di potenza compresa tra 100 e 300 mW, valori aspettati di emissione da parte dei laser in realizzazione. La corrente sarà misurata utilizzando sia dei laser impulsati (durate degli impulsi di 10^-7 s) ad elevata potenza di picco che sorgenti laser in continua modulate meccanicamente. La corrente foto-prodotta sarà misurata in maniera sincrona mediante un sistema di pre-amplificazione e amplificazione di tipo lock-in (lock-in amplifier SR-530 e pre-amplificatore in corrente a basso rumore SR-570 della Stanford Research Systems). Queste misure saranno realizzate su uno dei due apparati sperimentali di formazione dei solitoni già presenti in laboratorio, accoppiati ad una serie di sorgenti luminose che vanno da laser ad Argon, laser Ti-Zaffiro in continua o ad impulsi ultracorti, laser Nd-YLF con duplicazione di armonica, diodo laser a 1.55 um. Saranno utilizzate sia telecamere nel visibile-vicino IR presenti in laboratorio (una con tecnologia CCD di nuova produzione ed una con tecnologia VIDICON acquisita circa 15 anni fa, che potrebbe essere sostituita con il finanziamento) che una telecamera di nuova acquisizione (con il finanziamento del progetto) sensibile a 1.55 um (possibile acquisto: Hamamatsu C2741-03).
OBIETTIVO 3
La terza fase della sperimentazione seguirà 3 fasi: la caratterizzazione dell'efficienza di pompaggio e conseguentemente della misura della emissione spontanea entro le guide; studio e realizzazione degli specchi sui cristalli; realizzazione del laser .
La maggiore attività di caratterizzazione del materiale e dell'efficienza del pompaggio sarà realizzata dalla Unità di Pisa. In base ai risultati da loro ottenuti, l'Unità di Roma effettuerà prove di pompaggio e di scrittura solitonica contemporaneamente. Le caratterizzazioni del pompaggio e dell'emissione spontanea presso l'Unità di Roma saranno effettuate con diverse tecniche: A) analisi, mediante analizzatore di spettro ottico della ditta OCEAN-OPTICS, della luminescenza emessa dal campione ed intrappolata nella guida; B) analisi mediante fotorivelatore sensibile a 1.55 um, del segnale di luminescenza in funzione dell'intensità di pompaggio; C) analisi mediante microscopio interfacciato alla telecamera IR in osservazione laterale, del profilo di emissione della luminescenza lungo la lunghezza della guida.
Lo studio e la realizzazione degli specchi saranno molto probabilmente affidati ad una ditta esterna che sarà al momento valutata in base: alla riflettività assicurata, alla soglia di danneggiamento, alla notorietà in campo internazionale, alla garanzia offerta ed infine anche al costo.
Per la realizzazione del laser si valuteranno, insieme con le altre Unità, diverse geometrie di cavità, sia con specchi esterni che con specchi depositati direttamente sul cristallo. Per questo punto risulteranno fondamentali i risultati ottenuti dall'Unità di Padova circa la conducibilità termica dei cristalli cresciuti. In base a questi dati si sceglieranno diverse specchiature e soprattutto si valuterà la possibilità di raffreddare i campioni durante il loro utilizzo nei laser.

OBIETTIVO 4
L'ottimizzazione del processo laser seguirà sia degli aspetti di base sul materiale che ottici sulle guide solitoniche.
In collaborazione con le altre Unità si deciderà di realizzare presso Padova (eventualmente anche a Pisa per quello che riguarda le fibre) campioni di diverse concentrazioni di erbio su cui scrivere guide solitoniche ad utilizzarle per funzionamento laser. In base ai risultati di caratterizzazione del materiale, alla facilità di scrittura delle guide ed alla loro stabilità in operazione, e soprattutto in base alla loro efficienza di emissione, si studieranno eventuali additivi catalizzatori da aggiungere, oltre all'erbio, per aumentare l'efficienza dell'impiego laser.
Qualora si osservasse un peggioramento della stabilità nel tempo delle guide solitoniche, cioè una degradazione temporale, si studieranno delle configurazioni composite di funzionamento, come ad esempio l'applicazione di campi elettrici esterni di polarizzazione per sostenere l'effetto fotorifrattivo durante il funzionamento laser.
Sotto-obiettivo 4.1 In questa fase si proverà a realizzare matrici di laser sul cristallo che avrà mostrato il comportamento migliore, in termini di efficienza di pompaggio e di emissione e stabilità nel tempo.