ROMA – Comprendere esattamente la forma della luce è sempre stata una sfida complessa, fin dai tempi di Newton, che immaginava che la luce solare fosse composta da particelle. Oggi sappiamo che la luce è un’onda elettromagnetica e attribuirle una forma risulta più facile: comunemente, infatti, entriamo in contatto con oggetti luminosi di una forma definita, come ologrammi o fasci laser, che possono essere considerati raggi di luce.
Ma è possibile intervenire su un raggio laser cambiandone la forma: questo accade quando si agisce sul fronte d’onda della radiazione elettromagnetica (ossia nei punti dove la fase dell’onda è costante) ottenendo la cosiddetta luce strutturata che può assumere le più svariate forme (o strutturazioni).
Tra le infinite strutturazioni che è possibile dare alla luce, particolarmente studiate sono quelle a forma di spirale. I fasci laser a spirale, infatti, per le loro caratteristiche uniche, trovano applicazione in campi di frontiera, come la biofisica e le tecnologie quantistiche.
Un nuovo studio pubblicato sulla rivista Scientific Reports e coordinato da Stefan Wabnitz del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione, elettronica e telecomunicazioni di Sapienza, propone un metodo per realizzare fasci a forma di spirale a partire da piccoli segmenti di fibre ottiche: sfruttando la geometria cilindrica della fibra ottica per guidare la luce lungo un percorso elicoidale, il fronte d’onda che serve all’emissione di un fascio a spirale, finisce per prodursi spontaneamente. Un metodo economico e semplice, che non richiede alcuna nanofabbricazione: bastano infatti solo alcuni elementi facilmente reperibili, quali un laser, una lente convergente e pochi centimetri di fibra ottica standard.
Il lavoro, sviluppato con la collaborazione dell’Università di Brescia, l’istituto universitario XLIM di Limoges e la Southern Methodist University americana, rientra nel progetto STEMS di Horizon 2020 finanziato dall’European Research Coucil.
Comunemente la realizzazione di luce strutturata richiede l’uso di sistemi ottici dedicati: è necessario munire di volta in volta un fascio laser del corretto fronte d’onda al fine di generare la strutturazione desiderata. Ciò viene realizzato tramite maschere ad hoc che però hanno funzionalità ancora poco duttili. Esistono anche metodi più flessibili che utilizzano strumenti basati sui cristalli liquidi. Tuttavia, queste tecnologie risultano essere molto costose, oltre che ingombranti.
“Uno degli elementi chiave della nostra ricerca è la linearità del fenomeno – dichiara Stefan Wabnitz – ovvero il fatto che la generazione di fasci a spirale, con questo metodo, prescinda dalla potenza del laser impiegato. Basti pensare – aggiunge Wabnitz – che siamo riusciti a produrre in laboratorio un fascio a spirale utilizzando come sorgente un comune puntatore laser acquistabile nei negozi di elettronica”.
Se invece vengono utilizzati laser ad alta potenza, andando a generare effetti non lineari, è possibile osservare un fenomeno molto particolare sotto il profilo cromatico: la spirale, originariamente di un solo colore, acquista tutte le tonalità, dal rosso al violetto.
“Tali colori spontaneamente si organizzano per formare un arcobaleno di forma spirale – sottolinea Mario Ferraro, ricercatore della Sapienza – Questa peculiare forma multicolore non può essere realizzata con metodi convenzionali, e troverà certamente impiego in diversi campi applicativi, dall’ottica quantistica alle telecomunicazioni”.
Riferimenti:
Rainbow Archimedean spiral emission from optical fibres – Fabio Mangini, Mario Ferraro, Vladimir L Kalashnikov, Alioune Niang, Tigran Mansuryan, Fabrizio Frezza, Alessandro Tonello, Vincent Couderc, Alejandro Aceves, Stefan Wabnitz– Scientific Reports2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-92313-w.
