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La Natura della Luce e la
Luce Coerente
Sandro De Silvestri
• Dipartimento di Fisica - Politecnico di Milano
• Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN-CNR)
• European “Centre for Ultrafast Science and
Biomedical Optics” (CUSBO)
C U S
B O
La Natura della Luce: Onda o Insieme di Paticelle?
Dipinto di Tommaso da
Modena (1352): frate
domenicano con occhiali.
Nell’antichità (Egitto, Grecia): raggi verso o
dagli occhi (Epicuro, Aristotele, Euclide)
Medio Evo e Rinascimento applicazioni
dell’ottica: occhiali correttivi, telescopi,…
(Alhazen, Bacone, Leonardo da Vinci,
Galileo, Keplero ….)
XVII secolo:
onde come le
increspature
sull’acqua
(Huyghens)
Newton in
Oticks (1702):
particelle di vari
colori
Young e Fresnel
(1822): interferenza,
diffrazione,
polarizzazione (la
luce è un’onda!)
Maxwell (1865):
la luce è
un’onda
elettromagnetica
Alla fine
dell’Ottocento la
Fisica sembrava
ormai completata:
ma…..
XIX Secolo: il Trionfo delle Onde
Inizio del XX sec. Ritornano le Particelle
Einstein (1905): La luce è fatta di quanti,
particelle elementari di energia E=h e
quantità di moto p=h /c (chiamati poi fotoni dal
1926)
Predizione quantitativa dell’effetto fotoelettrico
a seguito dell’osservazione della dipendenza
della fotoemessione di elettroni da metalli dalla
lunghezza d’onda della luce
L’idea fu accettata a seguito dell’esperimento di
Millikan sull’effetto fotoelettrico (1915)
Ad Einstein fu assegnato il premio Nobel nel
1921 per l’effetto fotoelettrico
Esperimento di Compton (1923): urti tra fotoni
ed elettroni (scambio di quantità di moto nella
regione dei raggi X)
P1
P2
Pc=0
Sorgente di
singoli fotoni BS
Il Fotone: Dualismo Onda-Particella?
Il Fotone possiede entrambi questi aspetti !!
Avendo a disposizione una sorgente di singoli
fotoni potremmo stabilirne la natura?
Esperimento A mette in luce la natura di
particella
non si osserva alcuna
coincidenza (Pc=0) tra i due
fotorivelatori
Esperimento B mette in luce la natura di onda
vengono osservate frange di
interferenza al variare del
cammino in ciascuno dei due
fotorivelatori BS
Sorgente di
singoli fotoni
Le Proprietà del Fotone
Il Fotone ha energia h
La frequenza definisce il colore della luce
Il Fotone non ha massa
E’ costretto a viaggiare alla velocità della luce
Qualunque altro oggetto che si muove a velocità inferiori a
quella della luce (o è fermo) è dotato di massa
Chi ne ha inventato il nome?
Deriva dal greco “phos”, che significa luce
Fu coniato dal chimico americano Gilbert Lewis nel 1926
(famoso per la teoria degli acidi e basi)
Fotoni e Materia (I)
Il Fenomeno dell’Emissione Spontanea
E2
h = E2 -E1
E1
Un atomo o molecola in uno stato eccitato può
emettere radiazione generando un fotone e
passando allo stato energetico più basso E1 ( <E2 )
Fotoni e Materia (II)
Albert Einstein (1917)
I Fotoni sono particelle socievoli: previsione di
un nuovo fenomeno
LUCE CHE GENERA LUCE !!
L’Emissione stimolata
E2
h
E1
h
h
L’atomo in uno stato eccitato in
presenza di un fotone è stimolato ad
emetterne un altro identico nella
stessa direzione (o nello stesso
stato) in «maniera coerente»
25.02.2015
European Laser
Networks 2008
9
è il segreto alla base
del funzionamento
del LASER
Controllare la coerenza
della luce
European Laser
Networks 2008
Luce normale
Luce LASER
Dall’Emissione Stimolata (1917) al Laser (1960)
Un insieme di atomi/molecole portati
in stato eccitato (ad es. attraverso
una scarica elettrica o la luce di una
lampada) emette spontaneamente
fotoni in tutte le direzioni
La presenza di due specchi
perfettamente paralleli forza il
processo di emissione stimolata
nella direzione perpendicolare Specchio
parzialmente
riflettente
LUCE
LASER
100%
LASER
L ight
A mplification by
S timulated
E mission of
R adiation
Il Primo LASER
1960: Theodor Maiman, agli Hughes Research Laboratories,
fa funzionare il primo LASER a Rubino, ottenendo così luce
coerente nel visibile.
Il LASER Poteva Essere Inventato Prima?
Solo dopo la seconda guerra mondiale furono disponibili tecnologie essenziali (lampade intense, alimentatori e generatori a microonde)
Inizialmente (1954) furono inventati i MASER funzionanti nella regione delle micro-onde (Premio Nobel nel 1964 a C. H. Townes, N. G. Basov e A.M. Prokhorov per il principio del maser-laser)
Si pensò che i LASER (regione infrarosso-visibile) fossero molto più difficili da far funzionare
Nel 1960 T. H. Maiman riuscì nell’intento con il primo laser a rubino
Febbraio 1963: Prof. Orazio Svelto (team leader)
Primo LASER al Politecnico di Milano
DIREZIONALITA’
MONOCROMATICITA’
Cosa Può Fare un LASER?
Tratto da “Agente 007 - Missione Goldfinger”
Lavorazioni Meccaniche (taglio, saldatura, foratura): Laser a gas, Laser a stato solido, Laser in fibra
Comunicazioni ottiche e lettori CD/DVD: Laser a semiconduttore (compattezza ed efficienza)
Cosa Può Fare un LASER?
Applicazioni in Biomedicina: Chirurgia, Fototerapia e Fotoablazione, Diagnostica
Misure ottiche: Metrologia, Misure di composti chimici (inquinanti), Misure di deformazioni e vibrazioni
Il campo elettrico della luce visibile oscilla con un periodo di 2
femtosecondi, ossia 500000 miliardi di volte in un secondo!
Mediante la tecnica di «mode locking» le sorgenti LASER
sono in grado generare direttamente impulsi sino a durate
molto brevi di una decina di femtosecondi
Mediante effetti ottici non-lineari inoltre è possibile ottenere
impulsi ancora più brevi da qualche femtosecondo ad un
centinaio di attosecondi
Generazione di Impulsi di Luce Ultrabrevi
Corenza e Impulsi Brevi
La coerenza consente di
focalizzare la radiazione al
limite della diffrazione: area
minima
La breve durata consente di
ottenere: un’elevata
potenza (energia/durata)
I due ingredienti insieme consentono di
ottenere Intensità elevate:
1 fs
HHG
1970 1980 1990 2000 2010
10-1
100
101
102
103
104
Puls
e d
ura
tion
(fs
)
YearAnno
Du
rata
Imp
uls
i (fs
) 1000 fs
Durata degli Impulsi LASER negli Anni
Laser a Coloranti
Laser a Ti:Zaffiro
10 fs
5000 fs
0,12 fs
4,5 fs
I contributi al Politecnico
Come Aumentare l’Energia
Chirp Pulse Amplification (CPA), 1985
Allungamento degli impulsi (anche di 105) per non danneggiare le
ottiche ed evitare effetti non-lineari durante l’amplificazione
Fattori di amplicazione anche di 1010
Compressione
Oscillatore LASER
Amplificazione
Compressione
Allungamento
Evoluzione dell’Intensità negli Anni
QED: creazione di coppie, ….
L’Aritmetica dei Fotoni
Fasci LASER intensi interagendo con la materia producono
processi che vanno sotto il nome di “Ottica Non-lineare”
il materiale può generare fotoni somma o differenza (con le
stesse caratteristiche di direzionalità dei fasci incidenti)
SOMMA di Fotoni: 3 = 1 + 2
Livelli di energia degli atomi del materiale
DIFFERENZA di Fotoni: 1 = 3 - 2
h1
h2
h3
h3
h1
h2 h2
Impulsi Ultrabrevi dal Visibile all’Infrarosso
Gas jet
LASER
800 nm
Radiazione XUV
Impulsi ad Attosecondi
h
h(N )
OTTICA NON-LINEARE ESTREMA !
-300 -150 0 150 3000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-5
0
5
10
Inte
nsity (
a.u
.)
Time (as)
= 130 as P
hase (
rad)
36 eV
Generazione di Armoniche
di Ordine Elevato
Interazione Radiazione-Materia ad Alta Intensità
Raggi Gamma Laser Elettroni
Accelerazione di Elettroni da
Plasmi prodotti da Laser in gas:
Effetto Compton Inverso
(collisione elettroni-fotoni)
Accelerazione di protoni
(ioni) da target solidi
Ez centinaia di GV/m
Impulsi LASER per
Fotografare gli Eventi Primari
In Natura
1 Picosecondo = 1 millesimo di miliardesimo di secondo (10-12 s)
1 Femtosecondo = 1 milionesimo di miliardesimo di secondo (10-15 s)
1 minuto
Moti delle
molecole Età dell’universo
Tempo (secondi)
Ciclo di clock
del computer Flash
fotografico Età delle
piramidi
Un
mese Età dell’uomo
10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 100 103 106 109 1012 1015 1018
1 femtosecondo 1 picosecondo
Scala Temporale degli Eventi
Cattura dei Fenomeni Ultrabrevi
Questi processi sono innescati da “eventi primari” molto
rapidi
Un modo per la Natura di garantirsi la massima efficienza nel
perseguire una determinata azione
La brevità dell’evento riduce drasticamente la competizione con
altri processi indesiderati (in generale dissipativi)
Come catturarli/inseguirli nel tempo?
Servono impulsi di luce ultrabrevi
Il LASER è l’unico strumento in grado di generarli
Molti processi fondamentali in natura coinvolgono
l’assorbimento della luce
Ad esempio: la Visione e la Fotosintesi
Determinanti per l’esistenza del mondo animale e vegetale
Leland Stanford, fondatore della “Central Pacific
Railroad”, perse il figlio per tifo.
In memoria del figlio decise di fondare nel 1891 la
“Leland Stanford Junior University” su di un
terreno nel quale avrebbe in realtà voluto costruire
un ippodromo.
Il suo amore per i cavalli è testimoniato dal fatto
che nel 1872 fece una scommessa con un amico:
Il Galoppo del Cavallo
Le derby d'Epsom, di Theodore
Gericault, 1821
C’è un istante nel quale un cavallo
al galoppo tiene tutti e quattro gli
zoccoli sollevati dal terreno?
Stanford commissionò (si dice per 25.000 $) ad
un noto fotografo inglese Eadweard Muybridge di
trovare la risposta.
Eadweard Muybridge
Muybridge cominciò col migliorare la velocità
dell’otturatore delle macchine fotografiche di allora e la
sensibilità delle pellicole.
Le Vicissitudini di Muybridge
Il suo lavoro fu interrotto nel 1874 perché imprigionato
per l’omicidio del presunto amante della moglie.
Grazie agli avvocati messi a disposizione da Stanford,
egli fu assolto e riuscì così a completare il suo lavoro.
Catturare il Movimento
Posiziona 12 macchine fotografiche, separate da mezzo metro,
lungo il percorso del cavallo
Gli otturatori, azionati al passaggio del cavallo da fettucce stese
sul percorso, espongono la pellicola per due milli-secondi (0,002
secondi
1 2 3
1 1
5 6
4
7 8
Muybridge pioniere della “Fotografia ad alta velocità “
L’Evento Primario
nel Processo di Visione
Il Meccanismo della Visione
La Rodopsina nei bastoncelli e la Iodopsina nei coni sono
tasche proteiche che contengono il cromoforo (retinale)
Bastoncelli e Coni
Prima 11
12
11
12
Dopo
Evento primario della visione: “isomerizzazione” ultraveloce
del retinale
Passo di danza !
Il Movimento del Retinale in 3-D
Similitudine tra il Movimento delle Zampe del
Cavallo e il Moto del Retinale
11
12
11
12
Possiamo utilizzare una tecnica simile a quella di
Muybridge per fotografare la molecola mentre si
muove?
SI ! Dobbiamo però fare alcune modifiche:
mettiamo il cavallo su un tapis-roulant
un colpo di frusta per far partire il
cavallo
utilizziamo una sola macchina
fotografica che scatta fotogrammi a
ripetizione
Come Catturare l’Evento nella Molecola
Impulso LASER ultrabreve di “Innesco” assorbito dalla molecola inizia il processo: si
comanda al cavallo (su di un tapis-roulant) di cominciare a muoversi
Gli impulsi di “Sonda” arrivano a diversi ritardi e catturano nel tempo l’evoluzione della
molecola:
Il colore della luce trasmessa dalla molecola dipende dalla sua forma
La variazione del colore trasmesso a diversi ritardi dà in modo indiretto informazioni
sulla forma: scattare “fotografie” a diversi istanti per catturare il moto delle zampe del
cavallo
Campione
11
12
11
12
200 fs
Frusta !
Impulsi LASER di “Sonda”
ritardati nel tempo
Rivelatore
20 fs Macchina
fotografica
Laser
20 fs
Impulso LASER di
“Innesco” 10 fs
L’Evento Primario
nel Processo di Fotosintesi
Fotosintesi: trasformazione della luce in
energia chimica (nutrimento delle piante)
I complessi (LH1 e LH2) assorbono la luce e trasferiscono
l’energia al centro di reazione (RC) da cui parte la
trasformazione in energia chimica
Unità fotosintetica presente nelle foglie,
detta anche “complesso antenna”
Complesso LH2
Carotenoide
LH2 è fatto da 9 unità di clorofilla ciascuna
contenente un carotenoide
Carotenoide Clorofilla
Il carotenoide assorbe la luce
L’energia assorbita viene
trasferita alla clorofilla
Il trasferimento avviene in 50
femtosecondi: evento primario
della fotosintesi !!
La brevità dell’evento riduce
drasticamente la competizione
con processi dissipativi
50 fs
Le Sfide per il Futuro
11
12
11
12
Visualizzare direttamente lo spostamento
degli atomi (come le zampe del cavallo)
Impulsi LASER a femtosecondi a Raggi X
(come “Sonda”)
Guardare dentro gli atomi e le moiecole:
catturare il moto degli elettroni
Impulsi LASER ad attosecondi (1000
volte più brevi)
