Luce polarizzata «ripresa» nello spazio e nel tempo
La luce solare e quasi ogni altra forma di illuminazione naturale e artificiale è composta da onde luminose i cui vettori di campo elettrico vibrano su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione. Se la direzione del vettore di campo elettrico è ben definita, cioè non fluttua casualmente nel tempo, la luce è polarizzata. La sorgente più comune di luce polarizzata è un laser. «A differenza della frequenza e della durata temporale degli impulsi luminosi prodotti da un laser, la polarizzazione è una proprietà della luce meno intuitiva, ma fondamentale, che può determinare in grande misura le modalità di interazione tra luce e materia. Ad esempio, un fascio luminoso con una particolare polarizzazione può essere trasmesso perfettamente attraverso il vetro, senza riflessi. La luce normale (non polarizzata) subisce sempre un riflesso parziale: ecco perché siamo in grado di distinguere una porta di vetro o una finestra anche se sono trasparenti», spiega Helder Crespo, coordinatore di FastMeasure, un progetto finanziato nell’ambito del programma Marie Skłodowska-Curie e guidato dal borsista Benjamín Alonso.
La nuova tecnica di misurazione supera i limiti attuali
Come grandezza vettoriale, il campo elettrico della luce ha sia ampiezza che direzione. «Nel caso più semplice degli impulsi laser ultracorti, l’orientamento spaziale del campo elettrico degli impulsi è costante nel tempo. Tuttavia, sempre più applicazioni si basano su orientamenti del campo elettrico variabili nel tempo», aggiunge Crespo. «Il nostro obiettivo principale era sviluppare una tecnica per caratterizzare i fasci vettoriali da laser ultraveloci la cui polarizzazione dipende simultaneamente dalle coordinate temporali e spaziali». Tale caratterizzazione è tecnicamente molto difficile ed è rimasta fuori dalla portata delle tradizionali tecniche di misurazione degli impulsi per molti decenni. In particolare, le misure di polarizzazione cozzano contro la fondamentale difficoltà di determinare la fase relativa tra le due componenti ortogonali del campo elettrico. Le cose sono semplici quando non c’è differenza di fase tra le due componenti ortogonali e l’onda luminosa è polarizzata linearmente. Tuttavia, se le componenti del campo elettrico sono diverse e non in fase, l’onda è polarizzata ellitticamente. Per ovviare a questo problema e misurare l’intera fase del fascio, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica basata sull’interferometria doppia. Nello specifico, hanno utilizzato l’interferometria per determinare la fase relativa dei due componenti ortogonali e un accoppiatore ottico per determinare la fase di un componente. Il primo interferometro comprendeva una piastra birifrangente che ritardava i componenti vettoriali del campo elettrico contribuendo pertanto a creare un percorso ottico comune per i componenti interferenti, il che ha anche ridotto ampiamente la sensibilità al rumore ambientale. Utilizzando tale nuova configurazione, i ricercatori potrebbero catturare i componenti del campo elettrico ultraveloce che alternavano il loro orientamento di oscillazione. Ad esempio, una rotazione in senso orario potrebbe diventare un’oscillazione lineare, e quindi questo movimento potrebbe trasformarsi in una rotazione in senso antiorario. «L’imaging della polarizzazione della luce sia nello spazio che nel tempo potrebbe accelerare il progresso verso pinzette ottiche, strumenti altamente efficienti nello studio di una varietà di sistemi biologici», osserva Crespo. Il lavoro del progetto è riportato in Communications Physics.
Impulsi laser ultracorti più stabili e affidabili
Un altro filone di ricerca è stato orientato allo sviluppo di una tecnica strettamente correlata, la prima nel suo genere, per misurare le proprietà di coerenza e le relative instabilità del treno di impulsi dei laser ultraveloci. Le attività del progetto sono particolarmente rilevanti per lo sviluppo di nuove sorgenti laser in fibra, che a causa di non linearità sono più limitate delle loro controparti sfuse in termini di potenza media e di picco. Il lavoro dei ricercatori è riportato in Scientific Reports.
Parole chiave
FastMeasure, luce, campo elettrico, fase, polarizzazione, orientamento, impulsi laser ultracorti, laser ultraveloci, pinzette ottiche
