Un accesso semplificato agli impulsi laser UV

Il “problema del 10 %” che il team di MINIMODS ha tentato di risolvere nel 2013 ha a lungo rappresentato un grattacapo per il settore industriale. Finora, l’accesso ad alcune regioni spettrali laser, nello specifico la banda ultravioletta (UV) intorno ai 300 nm, non è stato per niente semplice: gli impulsi UV dovevano infatti essere generati mediante convertitori di frequenza basati su modelli di propagazione della luce o su semplici simulazioni numeriche. Un processo che consentiva di convertire gli impulsi del vicino infrarosso in impulsi UV sommando l’energia dei fotoni con impulsi fondamentali.

Questo approccio presentava tuttavia un importante limite, ovvero il fatto che le efficienze di conversione rimanevano ferme intorno a circa il 10 %. “Era come venire in laboratorio, girare qualche manopola tenendo d’occhio la potenza di uscita UV e tentando di ottimizzarla,” ricorda il dott. Michal Nejbauer, docente della facoltà di fisica dell’Università di Varsavia. “Il 10 % rappresenta il meglio che si possa ottenere con questo approccio.”

La soluzione del triplicatore

Il triplicatore proposto dall’iniziativa MINIMODS non rappresenta solo una soluzione tre volte più efficiente, ma anche uno strumento che sta perfettamente anche sulla punta di un dito. Utilizza un “sandwich” di cristalli non lineari e birifrangenti per la conversione di 190 impulsi a femtosecondi di luce a 1040 nm da un laser a itterbio-cristallo in luce ultravioletta. Si monta direttamente nella testa del laser, può essere sigillato ermeticamente ed è dotato di un pacchetto di simulazione “open-source” chiamato Hussar.

“Hussar consente persino a un utente senza alcuna esperienza pregressa di costruire simulazioni complesse, tridimensionali e accurate della propagazione e dell’interazione di impulsi multipli attraverso l’utilizzo di semplici blocchi: parametri di impulsi di ingresso, proprietà materiali dei mezzi e processi coinvolti,” spiega lo sviluppatore del software Tomasz Kardas.

“In seguito alla definizione dei parametri degli impulsi di ingresso, come l’energia, la durata e il profilo del fascio spaziale, inizia fondamentalmente la nostra ricerca della migliore progettazione su un’ampia gamma di valori: gli spessori dei cristalli non lineari, le dimensioni del fascio, la posizione del “waist” del fascio e così via. E, con nostra grande sorpresa, dopo aver trovato questi valori ottimali, costruito il dispositivo e misurato le prestazioni, abbiamo scoperto che gli impulsi UV di uscita erano esattamente identici a quelli ottenuti con le simulazioni. La rispondenza quantitativa tra ciò che si ottiene sullo schermo e ciò che si misura in laboratorio è una situazione del tutto insolita nell’ottica non lineare.”

Ulteriori sviluppi

Il triplicatore sarà integrato nella linea aziendale di laser a impulsi ultracorti. Nel frattempo, il team si sta occupando del miglioramento del software in modo da poterlo utilizzare in altre applicazioni ottiche legate alla progettazione. Il software è una risorsa “open-access” per usi non commerciali e può anche essere acquistato da aziende che desiderano utilizzarlo come prodotto.

“Ritengo che la nuova generazione di software di propagazione degli impulsi tridimensionali possa effettivamente segnare un importante passo avanti verso la progettazione di numerosi dispositivi basati sulla propagazione di impulsi a banda larga non lineari, ad esempio gli amplificatori parametrici,” afferma Piotr Wasylczyk, autore principale dell’articolo pubblicato su Nature. “La mia impressione è che oggigiorno la maggior parte degli utenti utilizzi la modellazione semplificata e che questo approccio non consenta di andare oltre.”

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