Laser in aria libera grazie al trasferimento di energia tra azoto e argon

Un gruppo di ricercatori dell’Università della California a Los Angeles (UCLA) e del Max Born Institute ha pubblicato uno studio sull’uso di azoto e argon per generare emissione laser. Il lavoro si inserisce in decenni di ricerche sui laser in aria libera, che in futuro potrebbero migliorare il telerilevamento e altre applicazioni. Ecco gli aspetti principali.

Tecnologia laser

Nei laser convenzionali, una cavità ottica con specchi fa passare ripetutamente la luce attraverso un mezzo attivo. L’emissione stimolata nel mezzo amplifica la luce, mentre gli specchi forniscono la retroazione necessaria. Gli specchi, quindi, non amplificano da soli il fascio.

Laser in aria libera

Fin dagli inizi della ricerca sui laser, gli scienziati hanno cercato modi per produrre emissione laser senza cavità ottiche e specchi. Un filone riguarda i laser in aria libera, nei quali impulsi luminosi intensi eccitano i costituenti dell’aria. Il nuovo studio dimostra un ulteriore meccanismo per ottenere questa emissione, ampliando risultati già raggiunti in precedenza.

Lo studio sui laser in aria libera ad azoto e argon

Lo studio descrive l’uso di miscele di azoto e argon per produrre emissione laser senza cavità nell’aria atmosferica. Lo studio, pubblicato su Physical Review Letters, presenta un meccanismo di trasferimento di energia mediato da fotoni tra N₂ e Ar, che produce una risposta di superfluorescenza.

Poiché l’aria contiene diversi gas, il gruppo ha confrontato varie miscele per identificare il ruolo dell’azoto e dell’argon. Gli esperimenti hanno mostrato che il loro accoppiamento consente un’emissione laser bidirezionale, aprendo nuove possibilità di ricerca.

Laser in aria libera: gli esperimenti

Gli esperimenti sono iniziati usando un laser di pompaggio a 261 nm per eccitare i gas. Il gruppo ha studiato l’assorbimento risonante a tre fotoni nell’argon e il modo in cui l’aggiunta di azoto modifica il processo di eccitazione e l’emissione laser bidirezionale.

L’emissione laser bidirezionale a cascata è stata studiata variando i parametri sperimentali. La miscela di azoto e argon ha prodotto segnali differenti rispetto all’argon miscelato con altri gas. L’analisi ha evidenziato un meccanismo nel quale l’eccitazione dell’azoto e il successivo trasferimento di energia mediato da fotoni favoriscono la superfluorescenza dell’argon.

I ricercatori hanno poi variato la lunghezza d’onda del laser per studiare le risonanze. L’eccitazione a tre fotoni delle molecole di azoto può trasferire energia agli atomi di argon tramite fotoni della terza armonica. I dati raccolti hanno permesso di descrivere il meccanismo e di preparare ulteriori esperimenti.

Risultati

Lo studio ha prodotto risultati promettenti per la ricerca sui laser: il gruppo ha ottenuto emissione bidirezionale a cascata su due lunghezze d’onda nell’aria atmosferica, senza una cavità ottica.

Il confronto fra miscele di argon con azoto, elio e ossigeno ha contribuito a distinguere i meccanismi coinvolti. L’aria atmosferica contiene circa l’1% di argon: questa percentuale non indica una concentrazione ottimale di ossigeno.

Possibili vantaggi dei laser in aria libera

La possibilità di eliminare la cavità ottica potrebbe ridurre il numero di componenti da fabbricare e allineare. Ciò potrebbe semplificare alcuni sistemi e favorire nuove applicazioni. Lo studio, tuttavia, non dimostra già una riduzione dei costi industriali.

Stabilità

Gli specchi dei laser convenzionali richiedono un allineamento preciso. Gli errori di allineamento possono compromettere le prestazioni. Per le applicazioni commerciali e militari, sistemi con meno componenti ottici da regolare potrebbero offrire vantaggi. I laser in aria libera ad azoto e argon rappresentano una possibile direzione di ricerca.

Peso ridotto

Eliminare alcuni componenti ottici potrebbe consentire sistemi più compatti e leggeri. La miniaturizzazione resta però vincolata anche al laser di pompaggio e agli altri elementi necessari. Le possibili applicazioni nella tecnologia spaziale e nelle nanotecnologie richiederebbero ulteriori sviluppi: il solo impiego di azoto e argon non garantisce un dispositivo più leggero.

Applicazioni potenziali

L’articolo considera diverse possibili applicazioni, dal monitoraggio con sistemi LiDAR agli impieghi medici. Si tratta di prospettive di sviluppo, non di utilizzi già dimostrati dal nuovo esperimento.

Tecnologie di telerilevamento

Una delle applicazioni più promettenti dell’emissione laser in aria libera diretta all’indietro è il telerilevamento. Il segnale di ritorno potrebbe permettere di studiare a distanza l’ambiente e le sostanze presenti nell’aria. Il lavoro apre possibilità per sistemi di misura più sensibili, senza dimostrare direttamente miglioramenti nei pannelli solari.

Sanità

I laser sono impiegati in medicina, per esempio negli strumenti chirurgici e in alcune tecniche di diagnostica. Sistemi più piccoli e semplici potrebbero ampliare le possibilità d’impiego. Trattamenti con nanorobot basati su questo nuovo meccanismo restano però ipotesi, non risultati clinici dello studio.

Impieghi militari

Negli ultimi dieci anni, le forze armate hanno intensificato gli esperimenti con i laser, anche come possibile alternativa ai costosi missili guidati. La diffusione di piccoli droni economici ha accresciuto l’interesse per sistemi di difesa aerea con costi per impiego più contenuti.

La ricerca sui laser in aria libera potrebbe contribuire a futuri sviluppi, ma non dimostra un’arma più potente o meno energivora. La protezione da droni e missili, così come l’allerta anticipata per militari e civili, costituisce una possibile applicazione da valutare.

Ricercatori

Lo studio sui laser in aria libera ad azoto e argon è stato condotto da ricercatori della UCLA, della Huazhong University of Science and Technology e del Max Born Institute. Zan Nie è il primo autore. Fra i coautori figurano Chan Joshi e Misha Ivanov.

Due aziende potenzialmente interessate alla ricerca sui laser in aria libera

Molte aziende utilizzano i laser, dalle porte automatiche alla scansione dei prodotti nei negozi. Ecco due società attive in settori collegati a questa tecnologia, che in futuro potrebbero beneficiare di nuovi sviluppi. Lo studio non annuncia una loro adozione del meccanismo.

1. Heico Corporation

HEI Grafico dei prezzi

Heico Corporation (HEI ) (HEI-A ) è un’azienda con sede in Florida che produce tecnologie per l’aerospazio e altri settori, fra cui medicina, telecomunicazioni, difesa, spazio ed elettronica. L’articolo la considera una possibile beneficiaria di futuri sviluppi dei laser e la descrive come un titolo da mantenere in portafoglio. Questa valutazione riguarda il contesto dell’epoca di pubblicazione.

Le attività di Heico comprendono progettazione, produzione, riparazione, distribuzione e vendita di prodotti destinati a diversi settori. La società si è ampliata anche con l’acquisizione delle divisioni Aerial Delivery e Descent Devices di Capewell Aerial Systems, rafforzando la propria presenza nel mercato aerospaziale.

L’articolo esprime una prospettiva favorevole per Heico e cita fra gli investitori Berkshire Hathaway (BRK.A ) (BRK-B ), il gruppo guidato da Warren Buffett. Riporta una capitalizzazione di HEI di circa 14 miliardi di dollari al momento della stesura e ipotizza una crescita legata alla domanda dei prodotti. Tale crescita non è garantita.

2. Laser Photonics Corporation

LASE Grafico dei prezzi

Laser Photonics Corporation (LASE ) ha sede in Florida e sviluppa tecnologie laser. Offre sistemi di pulizia laser, piattaforme per la difesa, componenti per il monitoraggio della sicurezza e strumenti professionali per il taglio laser. Ha inoltre stretto accordi commerciali, fra cui una collaborazione con Fastenal Company (FAST ) per la distribuzione di prodotti laser.

Il nuovo meccanismo dei laser in aria libera potrebbe interessare Laser Photonics in futuro. L’eliminazione della cavità ottica potrebbe semplificare alcuni processi, ma lo studio non dimostra un vantaggio commerciale per la società nei mesi immediatamente successivi. L’innovazione dell’azienda è uno degli elementi da valutare insieme ai rischi di un eventuale investimento.

I laser in aria libera sono solo l’inizio

Lo studio illustra un meccanismo di trasferimento di energia dall’azoto all’argon che amplia le possibilità della ricerca sui laser in aria libera e sui fenomeni di ottica quantistica, come i battimenti quantistici. Il gruppo intende approfondire il processo di accoppiamento radiativo responsabile di queste interazioni. Scopri altri progetti interessanti ora