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Nuovi componenti ottici per esperimenti ultraveloci

Le fonti di luce che emettono radiazione coerente ad alta energia mediante impulsi ultracorti costituiscono strumenti consolidati per lo studio delle reazioni chimiche in tempi estremamente brevi. Un progetto finanziato dall’UE ha sviluppato degli elementi di diffrazione ottica (diffractive optical elements, DOE) che consentono nuove applicazioni di ricerca nello studio della dinamica delle reazioni ultraveloci.
Nuovi componenti ottici per esperimenti ultraveloci
Con dei tempi simili ai processi atomici e molecolari fondamentali, la generazione di impulsi ottici ultraveloci sta rivoluzionando materie quali biologia, fisica e chimica, nei laboratori di tutto il mondo. Con l’aiuto della luce laser pulsata, la spettroscopia con risoluzione temporale permette di visualizzare processi altamente dinamici del moto molecolare e il trasferimento di elettroni tra gli atomi. L’incorporamento dei giusti elementi DOE con elevata coerenza temporale, nel campo ottico di un raggio laser, costituisce la base per ulteriori progressi nelle tecniche spettroscopiche.

Nell’ambito del progetto 3D RZP (The advanced instrumentation on the basis of 3D RZP for modern UV and X-ray sources), finanziato dall’UE, gli scienziati hanno sviluppato componenti ottici di alta qualità per la spettroscopia con risoluzione temporale che copre l’intera regione ultravioletta (UV) e dei raggi X. Gli elementi DOE con riflessione esterna totale sono gli unici componenti ottici che possono essere utilizzati per la focalizzazione di radiazione a intensità elevata. La dispersione di energia spaziale è stata ottenuta mediante l’uso di piastre relative alla zona di Fresnel.

Gli impianti di trasmissione a femtosecondi relativi a zone d’immagazzinamento correlate alla radiazione di sincrotrone costituiscono una delle poche fonti di raggi X pulsati al di sotto del picosecondo le quali coprono l’intera gamma di energia fotonica a raggi X. In particolare, l’impianto di trasmissione a femtosecondi BESSY, in Germania, è l’unico set-up che permette studi di dinamiche ultraveloci con impulsi a raggi X molli fino a ottenere una durata degli impulsi di circa 100 fs e una polarizzazione circolare e lineare variabile. L’aumento della lunghezza di coerenza, tuttavia, va a scapito del flusso di fotoni per impulso. Per far fronte a tale problema, il team 3D RZP ha costruito e commissionato con successo un nuovo tipo di fascio di luce con flusso elevato di trasmissione a femtosecondi il quale si è rivelato almeno 20 volte più efficiente. Il set-up unico si è basato sull’impiego di una serie di piastre di zona con riflessione fuori asse (reflection zone plates, RZP), le quali hanno coperto una vasta larghezza di banda.

Le piastre RZP di nuova concezione hanno inoltre trovato impiego nella spettroscopia di assorbimento a raggi X con risoluzione temporale per materiali biologici, la quale utilizza laser a elettroni liberi. Lo spettrometro ha compreso fino a 100 piastre RZP su un substrato di silicio.

Inoltre, gli scienziati hanno esaminato e modificato la tecnologia di microfabbricazione esistente in relazione a precisione, uniformità e riproducibilità degli elementi DOE. Per la prima volta, è stato sviluppato un preciso processo di incisione del silicio mediante utilizzo di plasma. Il team ha elaborato tecniche innovative basate sull’applicazione dell’incisione ionica per la profilatura di strutture fini DOE con periodi laterali fino a 100 nm.

I DOE costituiscono componenti essenziali per lo studio relativo a radiazione di sincrotrone con generazione di grande armonica e laser a elettroni liberi. Coprendo alte energie di fotoni a raggi X, fino a 20 keV, i DOE di recente sviluppo saranno di aiuto nella progettazione di sistemi ottici personalizzati.

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Keywords

Reazioni chimiche, elementi ottici diffrattivi, spettroscopia con risoluzione temporale, 3D RZP, piastre di zona con riflessione