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Ultrashort Pulse Generation from Terahertz Quantum Cascade Lasers

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Ampliare i confini dei laser a cascata quantica

Nell’ambito del progetto dell’UE ULTRAQCL, un consorzio ha dimostrato che i laser a cascata quantica possono essere adattati per produrre impulsi molto brevi, nella gamma di frequenza dei terahertz, l’ideale per applicazioni quali il rilevamento rapido di gas e la generazione di microonde.

Tecnologie industriali

Accademici in Francia, Germania, Italia e Regno Unito si sono uniti per compiere un importante passo in avanti nella tecnologia laser, aprendo la strada ad applicazioni che vanno dal rilevamento rapido di gas alla metrologia, al rilevamento delle microonde e al controllo non distruttivo. Il progetto dell’UE ULTRAQCL ha dimostrato che i laser a cascata quantica (QCL, Quantum Cascade Lasers) che operano nella gamma dei terahertz potrebbero essere adattati alla generazione di impulsi molto brevi, di durata così ridotta da raggiungere il picosecondo. «Si tratta di un miglioramento di un ordine di grandezza», afferma il dott. Sukhdeep Dhillon, coordinatore del progetto presso il laboratorio di fisica del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica (CNRS, Centre national de la recherche scientifique) e l’Ecole Normale Supérieure di Parigi. «In precedenza, si pensava che per la loro intrinseca natura non potessero essere adattati alla generazione di impulsi molto brevi». I ricercatori del progetto hanno dimostrato la fattibilità di impulsi molto brevi in un pettine di frequenze stabilizzato (un ampio spettro composto da linee situate alla stessa distanza limitata) con una vasta larghezza di banda spettrale. «In questo modo si apre la possibilità di impiegare una tecnica chiamata spettroscopia a pettine di frequenze doppio applicabile alla metrologia e di rilevare più specie di gas caratterizzate da firme spettrali nella gamma dei THz», spiega il dott. Dhillon. I ricercatori hanno inoltre dimostrato che i brevi impulsi nella gamma dei THz potrebbero essere utilizzati come metodo per generare radiazioni a microonde a bassa rumorosità, nonché per il rilevamento THz ultrarapido per applicazioni gratuite di telecomunicazioni spaziali. Il consorzio ha ulteriormente dimostrato che i laser potrebbero essere usati per misurazioni del tempo di volo (ovvero la misura del tempo impiegato da un oggetto, una particella o un’onda per percorrere una certa distanza in un mezzo determinato), il che li rende idonei per applicazioni di controllo non distruttivo.

Rilevamento di gas

Esiste un interesse evidente nelle applicazioni intese alla commercializzazione. Il valore del mercato totale dei THz è stimato in circa 272 milioni di EUR e si prevede che aumenterà sino a 1,3 miliardi di EUR entro il 2025. Il team ravvisa un particolare interesse nel modo in cui la generazione di brevi impulsi e pettini di frequenze possa essere applicata per rilevare più tipi di gas, un oggetto di studio su cui si vorrebbe concentrare in un progetto futuro. Ma i ricercatori di ULTRAQCL, lavorando verso il conseguimento degli obiettivi del progetto, hanno già sviluppato una notevole quantità di tecnologia derivata per il settore. Hanno presentato tre domande di brevetto, tra cui una per commutatori fotoconduttivi che non provocano eco e un tipo di commutatore al quarzo per sistemi basati su amplificatore. Utilizzati nel corso del progetto per studiare la generazione di impulsi nei QCL, sono attualmente al vaglio per una successiva commercializzazione. I partner attribuiscono il successo del progetto alla condivisione delle competenze in possesso di vari centri di ricerca europei: l’Università di Leeds nel Regno Unito, che ha condotto l’attività relativa alla crescita materiale, e il CNRS, che si è concentrato sulla generazione di impulsi mediante metodi attivi, mentre il CNR-Nano in Italia ha rivolto la propria attenzione sui metodi passivi per la generazione di impulsi. L’Università di Parigi Sud ha guidato i metodi di fabbricazione, l’Università di Regensburg (in Germania) la dinamica ultraveloce e l’Istituto nazionale di ottica (in Italia) ha svolto il ruolo di responsabile della ricerca per le applicazioni, prestando particolare attenzione alla metrologia. «Il progetto si è distinto per la propria natura veramente collaborativa, che è stata essenziale per realizzare i progressi compiuti», afferma il dott. Dhillon. «Sebbene ciascun partner abbia assunto un ruolo differente, tutti hanno contribuito a ogni attività per garantire il raggiungimento degli obiettivi finali del progetto».

Parole chiave

ULTRAQCL, laser a cascata quantica, impulsi brevi, gamma di frequenza dei terahertz, rilevamento rapido di gas, generazione di microonde

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