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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Pettini di frequenze ottiche per spettroscopia molecolare ad elevatissima sensibilità

Obbiettivo della tesi
Sviluppo di un’innovativa tecnica di spettroscopia laser, basata sulla combinazione di una cavità ottica e di un pettine di frequenze ottiche, per la quantificazione ultra-sensibile, selettiva ed in tempo reale, di molecole in fase gassosa.

Scenario applicativo
Ambito scientifico: determinazione ultra-precisa di parametri spettroscopici quali frequenze ed intensità di assorbimento, calcolo di livelli di energia molecolari, studio dei processi collisionali tra molecole, etc;
Ambito medicale: monitoraggio ed analisi chimica del respiro umano, quale tecnica diagnostica non invasiva, e quindi potenzialmente preventiva, di una serie importante di patologie, a livello polmonare, renale e metabolico.
Ambito ambientale: monitoraggio di gas serra, inquinanti atmosferici o molecole rilevanti ;
Ambito industriale: monitoraggio di fumi ed emissioni nocive.

Metodologia
L’apparato spettroscopico che si intende realizzare intende raggiungere lo stato dell’arte sia per quanto riguarda la sensibilità di assorbimento (asse verticale della misura) sia per quanto riguarda la precisione e l’accuratezza delle frequenze di riga (scala orizzontale della misura). L’apparato sperimentale, schematicamente rappresentato in Fig. 1, combina in maniera innovativa una serie di elementi:
- un laser a semiconduttore (a etero-struttura o a cascata quantica a seconda della regione spettrale) per sondare l’assorbimento da parte del gas, agganciato in fase ad un pettine di frequenze ottiche (per la descrizione del pettine si veda la descrizione generale dell’attività di ricerca in cui si inquadra la tesi);
- un pettine di frequenze ottiche costituito da un oscillatore in fibra ad Erbio o Tullio riferito ad uno standard primario di tempo e frequenza tramite GPS;
- una cavità ottica passiva ad elevatissima finezza contenente il gas da misurare.
L’uso della cavità è dovuto all’esigenza di moltiplicare la lunghezza del percorso di assorbimento della radiazione nel gas, massimizzando di conseguenza la sensibilità della misura. Il pettine di frequenze ottiche assolve due funzioni: i) fornisce stabilità, ripetibilità e calibrazione assoluta della frequenza del laser di sonda; ii) mediante l’aggancio in fase consente di ridurre la larghezza di emissione del laser di sonda favorendo l’accoppiamento dello stesso nella cavità passiva, la quale per finezze molto elevate (intorno a 100000) presenta picchi di trasmissione (cosiddetti modi risonanti della cavità) particolarmente stretti (pochi kHz per free-spectral-range del centinaio di MHz).

Fig. 1 Rappresentazione schematica dell’apparato sperimentale. A tratto continuo sono riportati i fasci laser, mentre tratteggiati sono i percorsi del segnale elettrico. Il primo anello di controllo serve per l’aggancio del laser a semiconduttore al pettine tramite il fotorivelatore FR 1 ed il modulatore acusto-ottico AOM. Il secondo anello controlla la posizione dello specchio della cavità passiva tramite il traduttore piezoelettrico PZT e fa in modo che gli eventi di “ring-down” si susseguano periodicamente nel tempo.

 

All’uscita della cavità l’assorbimento verrà determinato secondo una tecnica di tipo cavity-ring-down-spectroscopy nella quale, come illustrato in Fig. 2,  il laser di sonda in continua sarà rigidamente fissato ad uno dei denti del pettine che si troveranno in corrispondenza dell’assorbimento molecolare, mentre la risonanza della cavità verrà periodicamente spostata attorno a tale dente modulando con un trasduttore piezo-elettrico la lunghezza della cavità. In corrispondenza di ogni istante di sincronismo tra riga del laser e risonanza della cavità la radiazione elettromagnetica verrà accoppiata in cavità, e ad ogni uscita di sincronismo tale radiazione andrà a decadere fornendo la costante di tempo necessaria per la stima dell’assorbimento e quindi della concentrazione della molecola. Gli eventi di “cavity-ring-down” si susseguiranno periodicamente nel tempo a frequenze dell’ordine del kHz rendendo possibile una sensibilità di poche parti per miliardo con tempi di misura dell’ordine del secondo. Una volta determinato assorbimento e concentrazione relativa di una determinata molecola, il laser in continua verrà spostato in corrispondenza della frequenza di assorbimento di una seconda molecola e la procedura verrà ripetuta. Poche decine di secondi saranno sufficienti per l’identificazione e la misura quantitativa di diverse molecole.

 

Fig. 2  Spettro del pettine di frequenze ottiche (in verde), spettro del laser in continua agganciato al dente del pettine (in rosso), spettro di trasmissione della cavità (in nero), con lunghezza modulata periodicamente nel tempo così che il laser in continua entri ed esca dalla risonanza inducendo eventi di “cavity-ring-down”. A confronto il profilo di assorbimento della molecola (in blu).