Corso di Laurea triennale in FisicaDipartimento di Fisica e Astronomia

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI CATANIA

Realizzazione e caratterizzazione dei

Random Laser

Candidato:

Angelo Pidatella

Relatore:

Prof. F. Priolo

28 Novembre 2013

Generalità di una struttura disordinata

•Distribuzione casuale in posizione, forma e dimensione delle componenti.

•Indice di rifrazione modulato.

• Sistemi macroporosi infiltrati con cristalli liquidi.

Sperimentalmente è importante poter indurre, controllare, manipolare e quantificare il grado di disordine per valutare gli effetti sulle proprietà ottiche del sistema.

Confinamento della luce: localizzazione di Anderson

Il disordine innesca un intrappolamento della luce, basato sui centri di scattering (elementi del mezzo disposti casualmente).

Transizione da un regime di trasporto balistico della luce a uno localizzato.

Questa localizzazione fotonica, detta di Anderson, è responsabile di proprietà quali: elevata monocromaticità dei modi EM, localizzazione spaziale e intensità di emissione spettrale.

Deflessione multipla dei fotoni

Cos’è un Random Laser ?

Sistema ottico basato sull’interferenza da scattering multiplo che soddisfa principalmente due criteri:

• Raggiungimento di un valore di soglia per l’azione laser per cui il guadagno ottico totale è superiore alla perdita.

• Diffusione molteplice della luce seguita da amplificazione ottica per emissione stimolata.

La presenza di centri diffusori e l’introduzione di un mezzo attivo di guadagno ottico, rendono le strutture disordinate i perfetti candidati alla costituzione dei Random Laser.

Caratteristiche ottiche di un Random Laser

L’intuito suggerirebbe che questi fotoni fortunati deflessi, che percorrono lunghi cammini prima di uscire dal mezzo, abbiano un’importanza trascurabile ai fini dell’azione laser. L’assenza di una cavità risonante, inoltre, rende difficile immaginare un processo di amplificazione.

In realtà il confinamento prolungato in un mezzo di amplificazione produce:• un’ottimizzazione del processo di emissione stimolata

• un incremento del guadagno ottico.

L’assenza di cavità ottica risonante non lede all’azione laser. Resa coerente dell’emissione laser.Sostituzione ottimale delle prestazioni in cavità.

Modo localizzato

Modo esteso

Proprietà Random Laser:

• Monocromaticità

• Elevata intensità di emissione

• Basso requisito energetico

• Elevato fattore di qualità Q

• Omnidirezionalità.

Evidenze sperimentali: equilibrio tra forza di scattering e saturazione del guadagno ottico sono alla base di un compromesso funzionale fra modi estesi e localizzati.

H.Cao et al., Random laser action in semiconductor powder. PRL 82, 11 (1999)

D.S.Wiersma, The physics and applications of random lasers, Nature 4, 359 (2008)

Controllo e manipolazione delle proprietà ottiche

Gestione della composizione strutturale del sistema

Cristalli liquidi in strutture macroporose introducono un disordine in orientamento e posizione.

La manipolazione della temperatura, implica controllo della diffusività della luce e dell’azione laser.D.S.Wiersma, S.Cavalieri. Light emission: a

temperature-tunable random laser.Nature 414 708-709 (2001)

Notevole controllo sulle proprietà di emissione laser

Cristalli in fase smectica suscettibili ai campi elettrici.

Manipolando le frequenze del campo [Morris et al.] si agisce sui domini cristallini.

Polarizzazione del fascio laser uscente.

G.Strangi et al., Random lasing and weak localization of light in dye-doped nematic liquid crystals, Optics Express 14, 17 (2006)

Polarizzazione del fascio di stimolazione fondamentale nei processi di amplificazione.

Materiali e tecniche di fabbricazioneRealizzazione di un Random Laser: sistema altamente scatterante e ad elevato guadagno ottico

Powder Laser: opportuni materiali scatteranti polverizzati e attivati da specifici ioni (terre rare: es. Nd3+).

Polveri di semiconduttore, legate a un substrato di attivazione stimolate da luce laser pulsata (ZnO su Si).

Cristalli liquidi in soluzione di colorante organico (laser dye).

Opportune dimensioni dei diffusori (~10÷100 nm), concentrazione degli agenti attivatori, l’energia e l’area di eccitazione, ottimizzano la performance.

Vantaggi e potenziali applicazioni

Tra i vantaggi dei random laser si possono evidenziare:

• Basso costo di produzione

• Impiego di tecnologie relativamente semplici• Campioni operativi a lunghezze d’onda specifiche• Dimensioni ridotte

• Compatibilità con vari substrati.

L’elevata versatilità dei dispositivi è la causa primaria di un’ampia gamma di propositi applicativi.

Sospensioni di particelle random laser su rivestimenti, per il riconoscimento e l’identificazione di veicoli e oggetti

Vernici per l’illuminazione ambientale e stradale.

Scansione termica di ambienti ostili.

Codificazione e crittografia.

Monitoraggio del flusso sanguigno durante le terapie o gli interventi chirurgici (spettroscopia ad onda diffondente)

Applicazione biofisica: discriminazione tra tessuti sani e cancerosi

Polson et al. hanno identificato un metodo per mappare tessuti biologici che distingue tra quelli sani e cancerosi.

La distribuzione delle cellule non è perfettamente ordinata

•Tessuti sani : distribuzione cellulare regolare in forma, posizione e dimensione.•Tessuti alterati: dimensioni e forma irregolare.

R.C.Polson et al., Cancerous tissue mapping from random lasing emission spectra, Journal of Optics (2010)

Struttura cellulare: mezzo di scattering e di amplificazione ottica.

Cancerosi

Sani

ConclusioniL’elaborato ha presentato una prospettiva compatta della fisica di questi sorprendenti dispositivi.

• Generazione da

interferenza in strutture disordinate.

• Potenziamento delle proprietà

ottiche.

• Ampio panorama per le applicazioni.

Grazie per l’attenzione!