I seguenti titoli di tesi e le relative attività sono collegati all’attività di ricerca del laboratorio CHROME. Sono disponibili quattro titoli, equamente distribuiti tra rilevamento di gas in traccia e metrologia ottica.

Spettrometro dual-comb elettro-ottico nel vicino infrarosso per specie molecolari in fase gassosa

Questa attività di tesi è dedicata allo sviluppo e alla validazione di uno spettrometro dual-comb compatto in fibra ottica operante a lunghezze d’onda tipiche delle telecomunicazioni, intorno a 1.55 μm. Verranno sviluppati e confrontati due approcci: il primo basato su un unico modulatore elettro-ottico a singola banda laterale, per massimizzare la coerenza di fase tra i due pettini; il secondo basato su un duplice percorso in fibra dotato di due modulatori elettro-ottici e di un modulatore acusto-ottico, per massimizzare la banda spettrale dei pettini. Per entrambi gli approcci si utilizzerà un generatore di forma d’onda arbitraria a due canali con larghezza di banda analogica di 20 GHz, per la sintesi di pettini di frequenza spettralmente piatti e con impostazione flessibile della spaziatura tra i modi dei pettini. Dopo aver ottimizzato l’iniezione del segnale a microonde nei modulatori nonché la catena di rivelazione e acquisizione, i due approcci verranno testati e confrontati sperimentalmente utilizzando gas come l’acetilene come banco di prova.

Spettrometro dual-comb elettro-ottico nella regione di fingerprint

Questa attività di tesi è dedicata alla realizzazione di uno spettrometro per specie molecolari in fase gassosa operante nella regione del medio infrarosso. Verrà ottenuto traslando un doppio pettine elettro-ottico a 1.55 μm a lunghezze d’onda maggiori mediante generazione di differenza di frequenza (DFG). L’accordabilità nel medio infrarosso verrà ottenuta utilizzando come segnale del processo DFG le uscite ampiamente sintonizzabili di un oscillatore parametrico ottico (OPO) in continua, negli intervalli spettrali 1.8–2.07 e 2.2–3.2 μm. Grazie a un cristallo non lineare opportunamente progettato la sorgente ottenuta sarò in grado di coprire l’intera regione di fingerprint, da 3 a 12 μm, massimizzando la sensibilità e la selettività chimica dello spettrometro qualunque sia la molecola e l’applicazione di interesse. L’attività prevede la realizzazione sperimentale e la caratterizzazione della sorgente DFG, nonché lo sviluppo di un sistema di controllo remoto per l’impostazione automatica delle lunghezze d’onda dell’OPO e della posizione del cristallo non lineare, in modo da traslare l’uscita del dual comb alla lunghezza d’onda desiderata dall’utente.

Esperimenti vs teoria ab-initio per le energie di transizione vibrazionali di H2

La tesi verte sulla determinazione sperimentale ultra-accurata delle energie di diverse transizioni di branca Q ed S della banda fondamentale di vibrazione di H₂, che ricadono nell'intervallo 4000-4600 cm-1. L'eccitazione molecolare è ottenuta con un approccio Raman coerente che si serve di due fasci laser in continua, i cosiddetti fasci di pompa e Stokes (a frequenza angolare wp e ws, rispettivamente), la cui differenza di frequenza viene fatta corrispondere alla frequenza vibrazionale della transizione, secondo lo schema rappresentato in figura. Per poter fare misurazioni accurate della frequenza vibrazionale, entrambi i laser vengono calibrati rispetto a un orologio atomico attraverso l'interposizione di un pettine di frequenza ottico (invenzione che ha dato il premio Nobel per la fisica nel 2005), che può essere pensato come un righello assoluto per le frequenze ottiche. Poiché le misurazioni vengono eseguite a diverse pressioni sotto la perturbazione delle collisioni, gli spettri Raman coerenti vengono “fittati” con opportuni codici multi-spettro per estrapolare le energie di transizione a pressione zero e confrontarle con i calcoli ab-initio della molecola a riposo.

Metrologia ottica di righe rotazionali tramite spettroscopia Raman coerente assistita da pettini di frequenza

Utilizzando lo stesso approccio sperimentale descritto sopra per la banda vibrazionale fondamentale dell'idrogeno molecolare possono essere misurate anche linee puramente rotazionali (come le righe S rappresentate in figura). L'approccio Raman coerente offre infatti la specificità di poter popolare i canali rotazionali utilizzando laser nel vicino infrarosso invece che sorgenti nel lontano infrarosso utilizzate nella convenzionale spettroscopia di assorbimento. La calibrazione in frequenza dei laser di pompa e Stokes sul pettine di frequenza ottico aggiunge la novità di poter eseguire esperimenti di spettroscopia rotazionale con un asse di frequenza assoluto, di grande interesse per un confronto con calcoli ab-initio delle energie di rotazione. Questo approccio verrà applicato a molecole biatomiche come H2, D2 e N2 nonché a molecole come CO2 e C6H6, la cui simmetria impedisce qualsiasi transizione rotazionale in assorbimento mediata dal dipolo elettrico della molecola.

Aspetti formativi delle tesi

Oltre a un approfondimento su diversi argomenti di fisica, vale a dire spettroscopia molecolare, spettroscopia Raman coerente, fisica collisionale e metrologia ottica con pettini di frequenza ottici, l'attività di tesi offre la possibilità di una formazione intensiva su un gran numero di aree sperimentali : i) allineamento di setup ottici complessi, ii) acquisizione ed elaborazione di dati con schede di tipo FPGA; iii) stabilizzazione attiva di parametri ottici, elettrici e fisici mediante anelli di controllo di tipo PID (derivativa integrativa proporzionale), utilizzati per la frequenza di ripetizione del pettine, l'intensità dei laser di pompa e Stokes, la frequenza del laser della pompa, la pressione e della temperatura della cella; iv) familiarizzazione con la propagazione di fasci gaussiani in spazio libero nonché con accoppiamento dei fasci in fibra ottica; v) tecniche di rivelazione a trasferimento di modulazione, utilizzate per il segnale di Raman scattering stimolato; vi) programmazione in Labview per il controllo remoto di strumenti e l’acquisizione di dati; vii) operazione di calcolo e di fitting di dati sperimentali in ambiente Matlab; vii) gestione di gas ad alta pressione; viii) uso di oscilloscopi, sintetizzatori di radiofrequenza, analizzatori di spettro elettrico, contatori di frequenza, amplificatori lockin.