Beam-shaping e le nuove frontiere del laser medio infrarosso

Dopo aver considerato queste tecnologie e applicazioni che coinvolgono laser che lavorano a circa 1 µm di lunghezza d’onda, è interessante analizzare come il beam-shaping possa supportare l’impiego di laser a lunghezze d’onda più esotiche, ma che attualmente stanno guadagnando più rilevanza e applicabilità: laser che operano nel medio infrarosso. I laser a cascata quantistica (QCL) sono una sorgente ben nota in tale spettro, ma attualmente forniscono una potenza di uscita limitata, soprattutto se paragonata ai tradizionali laser a CO2 e CO nello stesso intervallo spettrale. 

Nella figura 5b i profilI sperimentali dei 6 modi HG individuali e quello del fascio combinato (© Cailabs).
Nella figura i profilI sperimentali dei 6 modi HG individuali e quello del fascio combinato (© Cailabs).

La combinazione passiva del fascio dei QCL in un formato compatto potrebbe consentire una maggiore potenza di uscita e favorire la loro integrazione in nuovi campi di applicazione, come nel rilevamento di gas e molecole inquinanti nell’aria e nella biomedicina, nell’industria della difesa, soprattutto nell’intervallo spettrale tra 4 e 5 µm, per bloccare, accecare o eventualmente distruggere la testa di ricerca dei missili guidati e possibilmente nella comunicazione laser nelle specifiche regioni di lunghezza d’onda in cui l’atmosfera ha finestre trasparenti. L’attuale record per la potenza media di uscita di una sorgente QCL è di 3 W a 4,6 µm, stabilito nel 20092 e le sorgenti QCL commerciali come quelle fornite dall’azienda mirSense forniscono una potenza di uscita di circa 1-2 W. La combinazione incoerente di molti fasci di QCL è una sovrapposizione additiva senza interferenza dei fasci, e quindi evita la necessità di controllo della polarizzazione, della lunghezza d’onda o fasatura dell’ingresso e può essere anche più compatta e robusta della combinazione coerente. 

La già citata tecnologia MPLC di Cailabs è adatta anche per la combinazione incoerente nel medio-infrarosso di fasci di QCL. In questo modo, è possibile una combinazione lineare a bassa perdita di laser a modo singolo, prima trasformati in un determinata modo, ad esempio un Hermite-Gaussiano (HG). Questo approccio modale permette di mantenere una qualità ottimale del fascio in uscita. Un combinatore passivo compatto è collegato a un’unità che ospita le sorgenti laser tramite fibre ottiche mono-modali, fornite da un terzo importante attore: l’azienda Le Verre Fluore’. Loro sono esperti nella produzione di diversi tipi di fibre al fluoro attive e passive per lo spettro medio-infrarosso e in questo specifico progetto hanno potuto fornire fibre mono-modali di InF3, particolarmente efficienti per l’alta trasmissione interna e la bassa attenuazione nell’intervallo spettrale tra 2 e 4 µm, disposte in un array di fibre particolarmente compatto. 

Grazie alla collaborazione tra mirSense, Cailabs e Le Verre Fluore’, è stato possibile ottenere la combinazione di 6 QCL in fibra con una M2 iniziale da 3 a 3,5, un sistema compatto e un’efficienza del 72% (Figura in alto). Le possibilità di migliorare l’efficienza in diverse fasi con la collaborazione dei 3 partner sono molteplici e previste per il prossimo futuro al fine di raggiungere una potenza di uscita totale intorno ai 10 W alla lunghezza d’onda di 4 µm con il minor numero possibile di QCL.

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