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FISICA/ E' italiano il padre del laser della prossima generazione

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La rivista Science ha recentemente pubblicato un articolo a firma di un gruppo di fisici dei Laboratori Bell (capeggiati dall’italiano Raffaele Colombelli) in cui viene presentato un nuovo tipo di laser a semiconduttore. La nuova sorgente di luce coerente è stata realizzata integrando in un’unica struttura un laser a cascata quantica e un cristallo fotonico. La novità di questo laser risiede nel fatto che la luce viene emessa nella direzione perpendicolare alla superficie del semiconduttore e questo consente di sfruttare la sorgente per nuove interessanti applicazioni.

Vediamo ora più in dettaglio in cosa consiste questa nuova sorgente.

I laser a cascata quantica sono noti ormai da alcuni anni (attualmente sono disponibili anche commercialmente) e sfruttano strutture basate sull’uso di semiconduttori note col nome di “pozzi quantici”. I pozzi quantici vengono realizzati depositando un sottile strato di semiconduttore (dell’ordine di qualche nanometro, cioè miliardesimo di metro) tra due strati di un altro materiale caratterizzato dall’avere un più ampio dislivello energetico fra la banda di conduzione e quella di valenza (la distanza fra la banda di conduzione e quella di valenza è quella che caratterizza le proprietà elettriche di un materiale e fa si che questo, al crescere del dislivello energetico, possa essere rispettivamente un conduttore, un semiconduttore o un isolante). Nei pozzi quantici sono presenti diversi livelli energetici e l’emissione laser viene ottenuta facendo “saltare” gli elettroni iniettati nel materiale da un livello di energia più alta a uno di energia più bassa. La frequenza della luce emessa dal laser è proporzionale all’altezza del salto elettronico: maggiore è l’altezza del dislivello energetico più alta è la frequenza dei fotoni emessi. Poiché in un pozzo quantico sono presenti numerosi livelli energetici, precipitando da un livello all’altro uno stesso elettrone riesce a produrre fotoni di diversa lunghezza d’onda (ovvero di diverso colore). In particolare, i laser a cascata quantica riescono a produrre fotoni nella regione del vicino infrarosso (fra 1 e 10 micron, cioè milionesimi di metro) difficilmente ottenibili con altre sorgenti laser più convenzionali.

Una caratteristica dei laser a cascata quantica è quella di emettere luce solo nel piano del semiconduttore ma non perpendicolarmente ad esso. Questa peculiarità limita le possibilità di utilizzo della sorgente. In particolare non permette di realizzare matrici di sorgenti laser potenzialmente utili per numerose applicazioni. Per ovviare a questo inconveniente i fisici dei Bell Labs. hanno inserito nella regione attiva del laser a cascata quantica un minuscolo cristallo fotonico (ovvero un materiale trasparente alla luce laser in cui è presente una modulazione periodica dell’indice di rifrazione). Questo cristallo, oltre a costituire la cavità ottica del laser, diffrange (a causa della modulazione dell’indice di rifrazione) la luce verticalmente rispetto alla superficie del semiconduttore ampliando in questo modo le caratteristiche tecniche dei laser della stessa famiglia e aprendo la strada a nuove applicazioni.

La possibilità di costruire grandi matrici di laser a cascata quantica (realizzabili solo se i laser emettono luce verticalmente alla loro superficie) apre infatti la via alla realizzazione di nuove applicazioni optoelettroniche e a nuovi sensori chimici. Per quanto riguarda quest’ultima applicazione va ricordato che la possibilità di avere a disposizione contemporaneamente più sorgenti monocromatiche a diversa lunghezze d’onda operanti in parallelo consente di caratterizzare miscele di specie chimiche di interesse. Poiché le diverse molecole assorbono luce a lunghezze d’onda ben definite (lo spettro della luce assorbita rappresenta una sorta di impronta digitale della molecola) utilizzando una matrice di laser sintonizzati sulle lunghezze d’onda delle specie chimiche di interesse (ad esempio le sostanze inquinanti in un certo ambiente) si può risalire alla loro  concentrazione misurando l’attenuazione della luce, nella regione di test, alle diverse lunghezze d’onda.

 



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COMMENTI
09/01/2009 - Bellino! (Francesco Giuseppe Pianori)

l'articolo è interessante, anche se non del tutto chiaro a chi non se ne intende un pochettino. E' pregevole che ne Il Sussidiario si parli di Fisica oltre che di Politica e di Economia. Grazie