Laser “a pista” su chip per sensori gas più precisi

Roma – Un nuovo laser miniaturizzato in grado di generare pettini di frequenza stabili e luminosi potrebbe rivoluzionare i sistemi di analisi dei gas, rendendo strumenti oggi ingombranti utilizzabili su microchip: è quanto riporta uno studio guidato da Ted Letsou e Johannes Fuchsberger nei gruppi di Federico Capasso della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences e della Technical University of Vienna, pubblicato sulla rivista scientifica Optica. Il dispositivo apre la strada a spettrometri compatti ad alta precisione per applicazioni ambientali, industriali e mediche. Il cuore della tecnologia è un laser a cascata quantica progettato con una geometria ad anello, definita “racetrack”, in cui la luce circola in un percorso chiuso fino a circa 15 miliardi di volte al secondo. Questa configurazione consente di generare pettini di frequenza nel medio infrarosso, una regione dello spettro elettromagnetico cruciale per l’identificazione di gas come anidride carbonica e metano. I pettini di frequenza sono sorgenti luminose composte da numerose frequenze equidistanti, fondamentali per misurazioni ottiche ad altissima precisione. Tuttavia, la loro realizzazione compatta e stabile rappresenta da tempo una sfida tecnologica. Il nuovo dispositivo supera questo limite grazie a una stabilità intrinseca che elimina la necessità di componenti esterni di stabilizzazione. Un elemento chiave è il controllo elettronico del laser: attraverso segnali a radiofrequenza sincronizzati con la circolazione della luce, il sistema genera un pettine di frequenze stabile e controllabile. “Accendiamo e spegniamo il laser molto rapidamente, ottenendo così un pettine estremamente stabile e ampio”, spiega Ted Letsou. La struttura ad anello introduce inoltre un funzionamento unidirezionale che rende il sistema resistente al feedback ottico, una delle principali cause di instabilità nei laser tradizionali. Nei test sperimentali, anche riflettendo intenzionalmente la luce verso il dispositivo, il pettine di frequenze è rimasto stabile. Questa innovazione potrebbe rendere possibile la realizzazione di spettrometri dual-comb su chip, oggi limitati a configurazioni complesse e di grandi dimensioni. Le applicazioni includono il monitoraggio dei gas serra, il controllo dei processi industriali e diagnosi mediche non invasive, come l’analisi del respiro. Secondo i ricercatori, la possibilità di integrare più laser su un singolo chip rappresenta un passo decisivo verso sensori portatili e ad alta sensibilità. Il lavoro segna quindi un avanzamento significativo nel campo della fotonica applicata e delle tecnologie di rilevamento ambientale.(30Science.com)