La Natura della Luce e la Luce Coerente

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1 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

2 La Natura della Luce: Onda o Insieme di Paticelle? 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.) Dipinto di Tommaso da Modena (1352): frate domenicano con occhiali. XVII secolo: onde come le increspature sull acqua (Huyghens) Newton in Oticks (1702): particelle di vari colori

3 XIX Secolo: il Trionfo delle Onde 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..

4 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)

5 Il Fotone: Dualismo Onda-Particella? Avendo a disposizione una sorgente di singoli fotoni potremmo stabilirne la natura? P 1 Esperimento A mette in luce la natura di particella non si osserva alcuna coincidenza (P c =0) tra i due fotorivelatori Sorgente di singoli fotoni BS P 2 P c =0 Esperimento B mette in luce la natura di onda vengono osservate frange di interferenza al variare del cammino in ciascuno dei due fotorivelatori Sorgente di singoli fotoni BS Il Fotone possiede entrambi questi aspetti!!

6 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)

7 Fotoni e Materia (I) Il Fenomeno dell Emissione Spontanea E 2 h = E 2 -E 1 E 1 Un atomo o molecola in uno stato eccitato può emettere radiazione generando un fotone e passando allo stato energetico più basso E 1 ( <E 2 )

8 Fotoni e Materia (II) Albert Einstein (1917) I Fotoni sono particelle socievoli: previsione di un nuovo fenomeno L Emissione stimolata E 2 h E 1 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» LUCE CHE GENERA LUCE!!

9 Controllare la coerenza della luce è il segreto alla base del funzionamento del LASER European Laser

10 Luce normale Luce LASER European Laser

11 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 100% Specchio parzialmente riflettente LUCE LASER

12 LASER L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation

13 Il Primo LASER 1960: Theodor Maiman, agli Hughes Research Laboratories, fa funzionare il primo LASER a Rubino, ottenendo così luce coerente nel visibile.

14 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

15 Primo LASER al Politecnico di Milano Febbraio 1963: Prof. Orazio Svelto (team leader)

16 DIREZIONALITA MONOCROMATICITA

17 Cosa Può Fare un LASER? Lavorazioni Meccaniche (taglio, saldatura, foratura): Laser a gas, Laser a stato solido, Laser in fibra Tratto da Agente Missione Goldfinger Comunicazioni ottiche e lettori CD/DVD: Laser a semiconduttore (compattezza ed efficienza)

18 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 Generazione di Impulsi di Luce Ultrabrevi Il campo elettrico della luce visibile oscilla con un periodo di 2 femtosecondi, ossia 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

19 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:

20 Durata degli Impulsi LASER negli Anni Pulse duration (fs) Durata Impulsi (fs) fs 1000 fs Laser a Coloranti 1 fs Laser a Ti:Zaffiro 10 fs 4,5 fs HHG 0,12 fs Anno Year I contributi al Politecnico

21 Come Aumentare l Energia Oscillatore LASER Allungamento Amplificazione Chirp Pulse Amplification (CPA), 1985 Allungamento degli impulsi (anche di 10 5 ) per non danneggiare le ottiche ed evitare effetti non-lineari durante l amplificazione Fattori di amplicazione anche di Compressione Compressione

22 Evoluzione dell Intensità negli Anni QED: creazione di coppie,.

23 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 = DIFFERENZA di Fotoni: 1 = 3-2 h 2 h 3 h 2 h 2 h 3 h 1 h 1 Livelli di energia degli atomi del materiale

24 Impulsi Ultrabrevi dal Visibile all Infrarosso

25 Intensity (a.u.) OTTICA NON-LINEARE ESTREMA! Phase (rad) LASER Gas jet Radiazione XUV Generazione di Armoniche di Ordine Elevato 800 nm h h(n ) Impulsi ad Attosecondi ev = 130 as Time (as) -5

26 Interazione Radiazione-Materia ad Alta Intensità Accelerazione di Elettroni da Plasmi prodotti da Laser in gas: E z centinaia di GV/m Accelerazione di protoni (ioni) da target solidi Elettroni Laser Effetto Compton Inverso (collisione elettroni-fotoni) Raggi Gamma

27 Impulsi LASER per Fotografare gli Eventi Primari In Natura

28 Scala Temporale degli Eventi Moti delle molecole Ciclo di clock del computer Flash fotografico 1 minuto Un mese Età delle piramidi Età dell uomo Età dell universo femtosecondo 1 picosecondo Tempo (secondi) 1 Picosecondo = 1 millesimo di miliardesimo di secondo (10-12 s) 1 Femtosecondo = 1 milionesimo di miliardesimo di secondo (10-15 s)

29 Cattura dei Fenomeni Ultrabrevi 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 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

30 Il Galoppo del Cavallo 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: C è un istante nel quale un cavallo al galoppo tiene tutti e quattro gli zoccoli sollevati dal terreno? Le derby d'epsom, di Theodore Gericault, 1821

31 Stanford commissionò (si dice per $) ad un noto fotografo inglese Eadweard Muybridge di trovare la risposta. Eadweard Muybridge

32 Le Vicissitudini di Muybridge Muybridge cominciò col migliorare la velocità dell otturatore delle macchine fotografiche di allora e la sensibilità delle pellicole. 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.

33 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 Muybridge pioniere della Fotografia ad alta velocità

34 L Evento Primario nel Processo di Visione

35 Il Meccanismo della Visione Bastoncelli e Coni La Rodopsina nei bastoncelli e la Iodopsina nei coni sono tasche proteiche che contengono il cromoforo (retinale) Evento primario della visione: isomerizzazione ultraveloce del retinale Prima Dopo Passo di danza!

36 Il Movimento del Retinale in 3-D

37 Similitudine tra il Movimento delle Zampe del Cavallo e il Moto del Retinale 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

38 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 Impulso LASER di Innesco 10 fs Frusta! Campione Rivelatore fs fs 20 fs Impulsi LASER di Sonda ritardati nel tempo Macchina fotografica Laser 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

39 L Evento Primario nel Processo di Fotosintesi

40 Fotosintesi: trasformazione della luce in energia chimica (nutrimento delle piante) Unità fotosintetica presente nelle foglie, detta anche complesso antenna 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

41 Complesso LH2 LH2 è fatto da 9 unità di clorofilla ciascuna contenente un carotenoide Carotenoide

42 Carotenoide Clorofilla Il carotenoide assorbe la luce 50 fs 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

43 Le Sfide per il Futuro 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)

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