Dispositivo di ritardo ottico a fase agganciata mediante prismi

Data di pubblicazione

01-01-1970

Codice

FI.12.004.A

Stato

Licenza a Spin off

Data di priorità

01-01-1970

Fase

Europa e Stati Uniti

Titolare

Politecnico di Milano

Dipartimento

DIPARTIMENTO DI FISICA

Autori

Cristian Manzoni, Daniele Brida, Giulio Cerullo

Descrizione

Oggetto del brevetto è un dispositivo ottico in grado di generare due repliche identiche e collineari di un impulso di luce. Il dispositivo è costituito da una sequenza di prismi di materiale birifrangente: quando un impulso di luce li attraversa, esso si divide in due repliche con polarizzazione ortogonale che propagano nella stessa direzione ma con velocità diverse. Questo fa sì che le due repliche escano dal dispositivo in istanti diversi. Normalmente per generare due repliche identiche da un solo impulso si sfruttano gli interferometri, dispositivi ottici che, per parziale riflessione della luce su un materiale semitrasparente, creano due impulsi che compiono cammini diversi. Regolando la lunghezza dei due cammini, e successivamente ricombinando i due fasci, si crea una successione di due impulsi ritardati: il loro ritardo dipende dunque dalla lunghezza dei due cammini ottici. Questo strumento si chiama interferometro perché se i cammini ottici sono regolati con precisione inferiore alla lunghezza d'onda, i due impulsi ritardati danno origine a interferenza spaziale e spettrale. Normalmente per ottenere stabilità interferometrica è necessario rimuovere o compensare tutte le fonti di instabilità, tra cui deformazioni, escursioni termiche e fluttuazioni della densità dell'aria. Dunque la generazione di impulsi ritardati e interferometricamente stabili richiede normalmente dispositivi ottici molto sofisticati. L'invenzione descritta in questo brevetto è invece un sistema ottico molto compatto, basato sul solo attraversamento di materiali trasparenti. Uno schema del sistema è rappresentato nella seguente figura sottostante. Il movimento dei sottili cunei (B) di materiale birifrangente permette di regolare finemente il cammino ottico delle due repliche con polarizzazione ortogonale e dunque di modulare il ritardo di una polarizzazione rispetto all'altra. La presenza del blocco A di spessore fisso permette di applicare un offset positivo o negativo al ritardo. Poiché la separazione dei due impulsi è ottenuta grazie alla birifrangenza, non c'è più bisogno di  utilizzare due rami distinti da ricombinare; quello descritto è dunque un sistema molto più semplice da allineare rispetto ai normali interferometri, e permette non solo di ottenere con facilità due repliche dello stesso impulso, ma anche di ritardare gli impulsi con precisione molto elevata. Infine poiché le due repliche propagano lungo lo stesso percorso, la stabilità interferometrica è automaticamente ottenuta senza l'aggiunta di ulteriori dispositivi di controllo. Il dispositivo può essere utilizzato anche con impulsi ultrabrevi, caratterizzati da una banda spettrale molto ampia: il movimento dei cunei C, infatti, mantiene costante il cammino ottico complessivo, garantendo dunque che la dispersione accumulata dai due impulsi non dipenda dal ritardo e possa essere compensata tramite dispositivi ottici esterni fissi.

Campo di applicazione

Il dispositivo può essere impiegato per esperimenti di spettroscopia risolta in tempo; in particolare è adatto per la tecnica nota come spettroscopia bidimensionale, che richiede una regolazione fine del ritardo fra gli impulsi e stabilità interferometrica. Attualmente misure di questo tipo richiedono strumentazioni sofisticate per il controllo della fase; il sistema ottico oggetto del brevetto permette di semplificare l'apparato sperimentale, consentendo sia di effettuare misure di spettroscopia su sistemi sempre più complessi, sia di rendere questa tecnica spettroscopica accessibile anche ad utenti con minore esperienza nell'ambito dell'ottica. Inoltre il sistema può essere utilizzato per realizzare a basso costo un <i>Fourier Transform Spectrometer</i>, un dispositivo che permette di misurare lo spettro della luce senza fare ricorso ai normali spettrometri basati su reticoli di diffrazione; tale tecnica è particolarmente utile nella regione spettrale del medio infrarosso, dove attualmente sono a disposizione solo spettrometri commerciali molto costosi.

Vantaggi

Rispetto agli interferometri tradizionali, il dispositivo ottico oggetto del brevetto appare molto meno sensibile all'allineamento, e permette di ottenere con facilità due repliche dello stesso impulso ritardate in maniera molto precisa e interferometricamente stabili.

Stadio di sviluppo

PrototipalePer verificare le potenzialità di questo schema, è stata realizzato un prototipo e applicato a impulsi laser nella regione spettrale del visibile: è stato possibile imporre agli impulsi un ritardo arbitrario compreso fra 0 (le due repliche sono sovrapposte) e 2 picosecondi (ps), con precisione di 10 attosecondi (as), di molto inferiore al periodo del ciclo ottico.

Contatto

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