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Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano

Laser MIR per spettroscopia ottica e metrologia (MIRACLE)

Il laboratorio si occupa della realizzazione e caratterizzazione di innovative sorgenti laser con emissione nel medio infrarosso, basate sia su cristalli calcogenuri drogati con ioni divalenti di cromo (Cr) e ferro (Fe) che su fibre speciali drogate con ioni trivalenti delle terre rare quali disprosio, tulio, olmio e praseodimio (Dy, Tm, Ho, Pr), per la sintesi diretta di pettini di frequenze ottiche nel medio infrarosso (da 2 a 10 µm). Mediante le più sofisticate tecniche optoelettroniche per la stabilizzazione assoluta di frequenza, tali sorgenti sono utilizzate per la spettroscopia molecolare ad elevata precisione e a larga banda nella regione spettrale del medio infrarosso da 2 a 15 µm, denominata “molecular firgerprint region”. Le sorgenti laser sono progettate, realizzate e caratterizzate interamente all’interno del laboratorio con particolare attenzione alle prestazioni in termini di purezza spettrale e ampia banda di emissione ed operano per lo più in regime impulsato con durata degli impulsi di poche decine di femtosecondi (mode-locking passivo). Inoltre, vengono sviluppati amplificatori ottici di elevata potenza, sia a stato solido (in configurazione multipasso) che in fibra ottica speciale, operanti nella regione spettrale tra 1.5 a 3.3 µm, per la realizzazione di pettini di frequenza ottici con potenza per singolo modo maggiori di 10 µW. Tale contenuto di potenza consente l’impiego diretto dei pettini di frequenza nella spettroscopia molecolare a larghissima banda e altissimi livelli di sensibilità per applicazioni sia di fisica fondamentale (determinazione di constanti fondamentali, metrologia di frequenza, e in generale di fisica atomica/molecolare) che di fisica applicata (caratterizzazione dei materiali, analisi di gas, remote sensing atmosferico e la sensoristica in generale). Ad esempio, con specifico riferimento alla fisica fondamentale, il laboratorio è coinvolto nello sviluppo di sistemi spettroscopici innovativi, sia assistiti da pettine di frequenza che basati sull’uso diretto del pettine stesso, per la determinazione di larghezze di riga ottiche con caratteristiche estreme: inferiori ad 10 Hz nella regione spettrale intorno ad 8.6 µm per la misura della costanza del rapporto di massa protone/elettrone; maggiori di centinaia di MHz per la determinazione della costante di Boltzmann e termometria primaria nella regione spettrale da 1.5 a 3.3 µm.

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Generazione coerente di un supercontinuo da 1.5 a 4 µm mediante impulsi laser a Cr:ZnSe  

 

Attrezzature

Il laboratorio è fornito di: i) Spettrometro a trasformata di Fourier (FT-IR) operante in vuoto nella regione spettrale da 30 cm-1 a 20000 cm-1 (da 500 nm fino a 300 µm) con risoluzione massima di 0.07 cm-1; ii) pettine di frequenza ottico nell'intervallo spettrale da 1 a 2 µm basato su un sistema laser a femtosecondo in fibra ottica drogata Er; iii) estensione del pettine di frequenza ottico nella regione spettrale compresa tra 7.5 e 14 µm; iv) prototipo di un sistema laser amplificato a femtosecondo basato su Cr:ZnSe a 2.4 µm; v) prototipo di laser a 3  µm basato su fibra ZBLAN drogata con Dy; vi) sorgenti laser a cascata quantica (QCL) con emissione in singola frequenza alla lunghezza d’onda di 8.6 µm; vii) laser in fibra di potenza: laser ad erbio a 2.8 µm e 10 W, laser ad erbio a 1.56 µm e 20 W, laser a tulio a 1.94 µm e 20 W; viii) cavità risonanti passive ad elevata finesse e celle multipasso; ix) strumentazione opto-elettronica (analizzatore di spettro elettrico, oscilloscopi digitali fino a 4 GHz di banda, contatore di frequenza, standard atomico di frequenza a Rb asservito al GPS, sintetizzatori di frequenza, controllori PID ad elevata banda di controllo, misuratore di lunghezza d'onda, monocromatore).



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