Un meccanismo che trasferisce energia dall'azoto all'argon consente la lasing in cascata bidirezionale nell'aria atmosferica.

23 agosto 2024 funzionalità

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Per produrre luce, i laser di solito si affidano a cavità ottiche, coppie di specchi che si guardano con cui amplificano la luce facendola rimbalzare avanti e indietro. Recentemente, alcuni fisici hanno investigato sulla generazione di 'luce laser' in aria aperta senza l'uso di cavità ottiche, un fenomeno noto come cavità-free lasing in aria atmosferica.

Ricercatori dell'Università della California a Los Angeles (UCLA) e del Max Born Institute hanno recentemente svelato un meccanismo fisico che porta a questo fenomeno. Questo meccanismo, descritto in un articolo su Physical Review Letters, consiste nel trasferimento di energia mediato da fotoni dall'azoto (N2) all'argon (Ar).

'Abbiamo notato che sembrava esserci una riduzione previamente sconosciuta del tasso di ionizzazione dell'Ar nel regime di ionizzazione ad alto campo (utilizzando un laser di pompaggio a 261 nm) rispetto a quanto previsto dalla teoria PPT o dall'equazione di Schrödinger dipendente dal tempo,' ha detto Chan Joshi, co-autore dell'articolo, a Phys.org. 'Abbiamo voluto scoprire se l'assorbimento risonante a tre fotoni di fotoni a 261 nm in Ar potesse giocare un ruolo nella riduzione.'

Lo studio recente dei colleghi di Joshi si basa sui precedenti sforzi sperimentali del team. Durante i loro nuovi esperimenti, il team ha osservato che l'assorbimento a tre fotoni di fotoni a 261 nm da parte degli atomi di Ar è seguito dall'emissione di superflusso a cascata, specificamente un'emissione senza cavità, bidirezionale e simile a un laser.

'Inoltre, abbiamo scoperto inaspettatamente che il superflusso a cascata cambiava lunghezza d'onda se usavamo aria che conteneva l'1% di Ar,' ha detto Zan Nie, il primo autore dell'articolo. 'Ulteriori indagini su questo curioso effetto hanno scoperto un nuovo meccanismo di lasing dell'aria che facilita il trasferimento di energia radiativa da azoto ad Ar.'

Il nuovo meccanismo scoperto da Joshi e colleghi è stato trovato per consentire il lasing a cascata bidirezionale, a due colori, in l'aria atmosferica. Questo meccanismo potrebbe quindi aprire nuove vie per la generazione di lasing all'indietro nell'aria, che è stato un obiettivo di ricerca a lungo ricercato all'interno della comunità fisica.

'Poiché l'aria ambiente ha diversi componenti, abbiamo studiato questo problema mixando prima l'argon con diversi componenti dell'aria ambiente, ad esempio i componenti più abbondanti e il secondo più abbondanti: azoto e ossigeno,' ha spiegato Joshi. 'È emerso che mescolando azoto con argon si sono ottenuti gli stessi risultati dell'uso dell'aria ambiente mentre mescolare altri gas come ossigeno o elio non ha prodotto gli stessi risultati. Pertanto, con questo esperimento di confronto, possiamo dedurre che l'origine del lasing nell'aria è dovuta all'accoppiamento tra argon e azoto.'

Joshi e colleghi hanno anche dimostrato che le molecole di N2 in uno stato elettronicamente eccitato mostrano un'assorbimento non lineare a tre fotoni per 261 nm a frequenze leggermente spostate rispetto all'Ar. Questo spostamento funge da stato eccitato superiore per il superflusso a cascata osservato dal team. Nel loro documento, i ricercatori introducono un modello teorico che spiega il superflusso e i suoi meccanismi sottostanti.

'La ricerca di lasing efficace senza cavità in aria aperta è in corso da oltre un decennio,' ha detto Misha Ivanov, co-autore dell'articolo. 'L'obiettivo chiave, e piuttosto impegnativo, è quello di ottenere un lasing in entrambe le direzioni. Cioè, si vuole sparare un laser nell'aria e far sì che l'aria spari un raffica di luce simile a un laser indietro verso di te. Questo sarebbe molto utile per il rilevamento remoto, ma è semplicemente sconcertantemente incredibile.'

Questo recente studio di Nie, Ivanov, Joshi e colleghi ha svelato un meccanismo mediato da fotoni precedentemente sconosciuto che trasferisce energia da N2 ad Ar, consentendo infine il lasing a cascata bidirezionale in aria atmosferica. In futuro, questo meccanismo potrebbe essere sfruttato per realizzare il lasing all'indietro nell'aria, aprendo nuove opportunità per lo sviluppo di tecnologie per il rilevamento remoto.

'Il nostro piano per la ricerca futura è quello di indagare ulteriormente sulla fisica dettagliata di questo meccanismo, come il battito quantico,' ha aggiunto Nie. 'Semplicemente, l'eccitazione simultanea di livelli multipli in Ar produce oscillazioni dipendenti dal tempo della densità di carica. Le frequenze di queste oscillazioni possono rivelare l'esistenza dei livelli precedentemente sconosciuti non solo di Ar ma anche dei livelli vibrationali-rotazionali dell'azoto che sono importanti nel processo di accoppiamento radiativo.

'Abbiamo anche idee per aumentare l'efficienza del lasing all'indietro nell'aria per promuovere questa tecnica più vicino alle applicazioni reali del rilevamento remoto.'

Maggiori informazioni: Nie, Z. et al. Bidirectional cascaded superfluorescent lasing in air enabled by resonant third harmonic photon exchange from nitrogen to argon, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.063201. Su arXiv: arxiv.org/abs/2405.04089

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters , arXiv

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