Laser e anti-laser in un unico dispositivo / Laser and anti-laser in one device.

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Joseph Cotellessa

Schema del funzionamento del nuovo dispositivo, con i due impulsi di luce (verde) che entrano in direzioni opposte: quando la fase dell'impulso 1 è più rapida di quella dell'impulso 2 (immagine a sinistra)
domina il mezzo di guadagno, cioè la modalità laser. Quando la fase dell'impulso 1 è più lenta di quella dell'impulso 2 (immagine a destra), domina il mezzo di perdita, cioè la modalità anti-laser 

Diagram of the operation of the new device,

 with the two pulses of light (green) which

 enter in opposite directions: when the pulse 

phase 1 is more rapid than that of the pulse 2

 (left image)

It dominates the gain medium, that is, the 

laser mode. When the pulse phase 1 is slower

than that of the pulse 2 (right image),

dominates the middle of loss, that is, the anti-

laser mode

L'emissione stimolata di radiazione coerente, ovvero il laser, e l'assorbimento di radiazione dello stesso tipo, vale a dire l'anti-laser, sono state riunite per la prima volta nello stesso dispositivo. Il risultato è il primo importante passo verso lo sviluppo di un nuovo tipo di apparecchiatura integrata d'incredibile flessibilità che permetterebbe un controllo quasi totale di un impulso di luce e che potrebbe trovare applicazione nelle telecomunicazioni.

Il laser è un tipo dispositivo che emette fasci di luce con caratteristiche che lo rendono, nelle sue varie versioni, uno strumento dall'enorme varietà di applicazioni, dal taglio dei metalli alla correzione dei difetti visivi, fino alla lettura di dati memorizzati su compact disc e DVD.

Il laser si basa sul fenomeno fisico di emissione stimolata di radiazione elettromagnetica da parte di un mezzo attivo, che può essere un gas, un liquido o anche un cristallo, associato a un sistema di pompaggio, che fornisce l'energia necessaria a stimolare il mezzo attivo, e a una cavità ottica risonante, che amplifica l'energia necessaria alla stimolazione. Il risultato è un fascio di luce molto collimato e unidirezionale, monocromatico, cioè caratterizzato da un'unica frequenza di oscillazione, e soprattutto coerente, perché tutti i raggi sono in fase, cioè hanno le “creste” delle onde perfettamente allineate tra loro, così come gli avvallamenti.

Negli ultimi anni, la ricerca ha reso disponibili dispositivi noti come anti-laser. Invece di emettere fasci di luce coerente, gli anti-laser li assorbono in modo pressoché perfetto, anche nel mezzo di un rumore di fondo costituito da segnali fortemente incoerenti. E questo ne fa dei candidati perfetti per la realizzazione di sensibili rivelatori chimici o biologici.

Ora, per la prima volta, ricercatori dello statunitense Lawrence Berkeley National Laboratory ha realizzato un singolo dispositivo in grado di funzionare sia come laser sia come anti-laser, anche a una frequenza che è all'interno della banda delle telecomunicazioni. Il risultato, descritto in un articolo pubblicato su “Nature Photonics”, è il primo importante passo verso lo sviluppo di un nuovo tipo di apparecchiatura integrata con una flessibilità 

che permette di operare come un laser, un assorbitore di radiazione, un amplificatore e anche un rivelatore.

“In una singola cavità ottica risonante, è possibile sia amplificare sia assorbire la luce coerente alla stessa frequenza, un fenomeno controintuitivo, perché i due processi si contraddicono l'uno con l'altro”, ha spiegato Xiang Zhang, del Lawrence Berkeley National Laboratory, che ha coordinato lo studio. “Questo è molto importante per la modulazione ad alta velocità degli impulsi di luce nelle comunicazioni ottiche”.
Per realizzare il dispositivo, i ricercatori hanno usato una sofisticata tecnologia di nanofabbricazione per realizzare 824 campioni di materiali di “guadagno” (la parte che si occupa dell'amplificazione) e di “perdita” (che si occupa dell'assorbimento), che misurano 200 micrometri di lunghezza e 1,5 micrometri di larghezza (un capello umano, per confronto, ha un diametro di circa 100 micrometri).

Nel corso dei test, gli sperimentatori hanno fatto transitare due fasci di luce in direzioni tra loro opposte tra i due estremi del dispositivo. I ricercatori hanno così scoperto che regolando la fase della sorgente di luce potevano controllare se le onde trascorressero più tempo nei materiali di amplificazione o di assorbimento.

Quando il sistema è il equilibrio e il guadagno e la perdita sono uguali non si verifica né amplificazione né assorbimento della luce. Ma se le condizioni sono perturbate in modo che si rompa la simmetria, allora si osserva o l'amplificazione o l'assorbimento.

ENGLISH

The stimulated emission of coherent radiation, ie the laser, and the absorption of radiation of the same type, that is to say the anti-laser, have been brought together for the first time in the same device. The result is the first important step towards the development of a new type of integrated incredible flexibility of equipment that would allow an almost total control of a light pulse and which could find application in telecommunications.

The laser is a type device that emits light beams with characteristics that make it, in its various versions, a tool from the enormous variety of applications, from the cutting of metals to the correction of visual defects, up to the reading of data stored on compact disc and DVD.

The laser is based on the physical phenomenon of stimulated emission of electromagnetic radiation by an active medium, which can be a gas, a liquid or even a crystal, associated with a pumping system, which provides the energy necessary to stimulate half active, and a resonant optical cavity that amplifies the energy needed to stimulation. The result is a highly collimated beam of light and unidirectional, monochromatic, that is characterized by a single frequency of oscillation, and above all consistent, because all the rays are in phase, that is, have the "crests" of the waves perfectly aligned with each other, so like depressions.

In recent years, research has made available known devices as anti-laser. Instead of emitting coherent light beams, the laser anti-absorb them almost perfectly, even in the middle of a background noise consists of highly incoherent signals. And this makes them perfect candidates for the realization of sensitive chemical or biological detectors.

Now, for the first time, researchers at the US Lawrence Berkeley National Laboratory has realized a single device capable of operating both as a laser or as anti-laser, even at a frequency that is within the telecommunications band. The result, described in an article published in "Nature Photonics", is the first important step towards developing a new type of integrated device with a flexibility

that allows it to operate as a laser, a radiation absorber, an amplifier and also a detector.

"In a single resonant optical cavity, you can either amplify both absorb the coherent light at the same frequency, a counterintuitive phenomenon, because the two processes contradict each other," said Xiang Zhang, of the Lawrence Berkeley National Laboratory , who coordinated the study. "This is very important for the high-speed modulation of the light pulses in optical communications".

To make the device, the researchers used a sophisticated nanofabrication technology to achieve 824 samples of "material gain" (the part that deals with amplification) and "loss" (which deals with the absorption), which measure 200 micrometers in length and 1.5 micrometers in width (a human hair, by comparison, has a diameter of about 100 micrometers).

During the tests, the experimenters did pass two light beams in directions opposite to each other between the two extremes of the device. The researchers have discovered that by adjusting the phase of the light source could check whether its waves they spent more time in the amplification or absorption materials.

When the system is the balance and the gain and the loss are equal does not occur neither amplification nor absorption of light. But if the conditions are perturbed so that it breaks the symmetry, then it is observed or the amplification or absorption.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2016/11/08/news/laser_antilaser_unico_dispositivo-3302070/