FOTONICA
Fotonica
Termine introdotto dallo scienziato francese P. Agrain nel 1967 per descrivere l'utilizzo della luce attraverso lo studio delle sue proprietà e delle sue interazioni con la materia; include la generazione della luce, la sua rivelazione nonché la sua gestione mediante guida, manipolazione, amplificazione. Subito dopo l'invenzione del laser, gli ingegneri dei Bell laboratories (Stati Uniti) utilizzarono il termine fotografia per descrivere tutto quel complesso di metodologie in cui si utilizzano dispositivi e tecniche ottiche che operano in analogia ai sistemi puramente elettronici nelle tecnologie di comunicazione elettronica: in tale analogia i fotoni, ossia i quanti di luce, sono le particelle che portano l'informazione, invece degli elettroni. Il termine copre tutti i processi che usano la radiazione elettromagnetica coerente nella scienza (medicina, biologia e tecnologie), non includendo però l'illuminazione con le semplici e convenzionali sorgenti ottiche, ma comprendendo i laser (v.) e i LED.
Nei primi anni successivi alla scoperta del laser, per descrivere il complesso di tecniche in cui elettronica e ottica si sposano al fine di creare dispositivi di vario genere, veniva usato il termine optoelettronica. La parola fu poi estesa a indicare anche alcune nuove tecniche ottiche come l'olografia e l'elaborazione dei dati (optical processing) che spesso operano su concetti familiari in elettronica (trasformate di Fourier, filtraggi in frequenza ecc.). Oggi che i progressi dell'ottica non lineare hanno reso possibile eseguire una gran parte delle operazioni in modo totalmente ottico, optoelettronica è usato sempre meno e gli si preferisce il termine fotonica, che pertanto include anche molte interazioni non lineari della luce con la materia. Termini ibridi come, per es., optronica, elettroottica, elettrofotonica, fotoelettronica vengono talvolta utilizzati ma in verità sempre meno frequentemente, con significati simili. Alcuni tipici processi non lineari in applicazioni fotoniche sono la generazione e l'amplificazione della luce nei laser, il cambiamento di colore della luce attraverso processi di conversione di frequenza o i commutatori (switch) ottici e le tecniche usate per la generazione di impulsi ultracorti. La f. è quindi la scienza e la tecnologia che impiega il flusso controllato dei fotoni: è l'equivalente ottico dell'elettronica, però tratta anche il più vasto dominio delle applicazioni della luce in generale.
Alla base della f. ci sono i concetti, le leggi, i dispositivi dell'ottica convenzionale, dell'elettromagnetismo sino alla fisica quantistica compresa; i fotoni sono quanti di energia elettromagnetica che possono essere visti come particelle quantistiche con massa a riposo nulla, prive di carica elettrica, vita infinita e con la massima velocità possibile.
La f. è l'elemento trainante per l'innovazione tecnologica e una delle più importanti tecnologie per i mercati del 21° sec.; il suo impatto economico esorbita dalla semplice crescita dell'industria fotonica in termini di componenti, sistemi e oggetti di consumo ottico. Il mercato mondiale (diretto) di f. nel 2004 è stato di circa 150 miliardi di euro, il 40% dei quali è relativo alle tecnologie dell'informazione e a quelle della comunicazione. Esempi quotidiani di applicazione della f. sono: i lettori CD, le macchine videoregistratrici, le stampanti laser, i laser-scanner, la visione nei robot, il trattamento laser dei materiali, la diagnostica laser, la chirurgia laser, i telefoni e le televisioni su fibre ottiche, i radar laser.
La f. ha applicazioni in tutte le tecnologie chiave; data l'impossibilità di elencarle tutte, di seguito se ne riportano alcune.
Comunicazione
L'uso delle fibre ottiche come supporto di una portante a frequenza ottica per trasmettere informazione è stata la grande rivoluzione degli anni Settanta del secolo scorso nel campo della fotonica. Agli inizi del Duemila tutta la trasmissione di grandi quantità di informazioni avviene su fibra ottica e la tendenza è arrivare ad avere tutto il collegamento fino all'utente su questo mezzo. Le reti ottiche hanno aperto la strada a una comunicazione digitale (per es., Internet ecc.) praticamente illimitata. I flussi di informazione e di dati crescono rapidamente; nei futuri sistemi ottici si potranno avere bande cento volte maggiori di quelle attuali. Interruttori ottici ancora in fase di studio possono aumentare la velocità di comunicazione di ordini di grandezza. Codici basati sull'impiego di differenti lunghezze d'onda permettono già ora di allargare la capacità delle fibre ottiche nelle comunicazioni e dell'immagazzinamento ottico e si pensa in futuro di aumentare queste capacità di un fattore da 10 a 1000, permettendo di produrre, in quest'ultimo caso, dischi ottici con capacità del terabit. Le nuove tecnologie entrano nel mercato quando diventano competitive a livello di costi e di qualità: i CD hanno rimpiazzato le cassette per le registrazioni quando i diodi infrarossi diventarono un articolo a basso costo e i DVD hanno sostituito le videocassette quando anche i diodi nel rosso visibile raggiunsero lo stesso livello di prezzo. Infine, i nuovi dischi blu che dispongono di capacità ancora maggiori sono legati allo sviluppo di diodi laser nel blu.
L'olografia permette di mantenere l'informazione in un materiale sensibile alla luce mediante una figura d'interferenza prodotta da laser. Al contrario dei CD e DVD, che immagazzinano i dati bit per bit sulle loro superfici, il disco olografico accumula i dati una pagina alla volta in tre dimensioni permettendo enormi vantaggi in capacità e velocità di accesso. Può così essere sviluppato un trattamento veloce di immagini ottiche con enorme quantità di informazione grafica, potenzialmente a velocità e capacità che sono stimate da 100 a 1000 volte maggiori del trattamento elettronico convenzionale, e con interconnessioni ottiche, trattamento di segnali digitali in tempo reale, videocompressione in tempo reale. Modulatori integrati a silicio sono capaci di trasmettere dati fino a 10 Gbit/s, mentre modulatori con semiconduttori ii-v superano i 40 Gbit/s; si valuta di essere in grado di arrivare oltre il Tbit/s. Modulatori, rivelatori, correlatori, convolutori, filtri adattati, modulatori spaziali, solitoni spaziali e temporali sono tutti dispositivi e tecniche che permettono di utilizzare i fasci di luce.
In un sistema ottico il segnale che è generato da un laser viene modulato e trasportato attraverso un circuito fotonico consistente in guide d'onda, splitter, porte add-drop e altri componenti esclusivamente ottici; il segnale è infine raccolto da un rivelatore di fotoni. Il processore ottico è connesso ai dispositivi elettronici attraverso attuatori e sensori optoelettronici, cosicché è possibile la connessione con l'elettronica CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), beneficiando quindi degli sviluppi della microelettronica. A queste tecniche si affiancano quelle che si avvalgono più estesamente delle tecnologie quantistiche. Due esempi importanti sono la crittografia quantica e i computer quantistici.
La crittografia quantica è la base per reti di distribuzione di chiavi quantiche che usano fotoni singoli per immagazzinare e per trasferire grandi quantità di informazioni mediante crittografia che non può essere violata in alcun modo. I computer quantistici, ancora allo stato quasi iniziale della ricerca, operano in base alle leggi della meccanica quantistica e permettono di eseguire calcoli altamente paralleli usando stati sovrapposti di bit chiamati qubit. I qubit sono una sovrapposizione di stati quantistici che possono avere valori multipli allo stesso tempo. I computer quantistici possono trovare applicazioni in computer di alta potenza per aumentarne la capacità di uso.
Le tecniche che consentono di controllare l'interazione fra singoli fotoni e la materia possono portare alla realizzazione pratica di reti quantistiche fotoniche in cui la trasmissione di fotoni singoli mediante fibre ottiche connette memorie che usano atomi per la generazione, l'immagazzinamento e, infine, il trattamento di stati quantici. Queste reti dovrebbero permettere di estendere la comunicazione quantistica e la crittografia quantistica a lunghe distanze.
Trattamento dei materiali
L'interazione di laser di potenza con i materiali viene impiegata con successo nei casi di seguito elencati: utilizzando il riscaldamento locale del materiale che permette di eseguire saldature, di ottenere rimozione del materiale, formazione di leghe metalliche, placcatura, vetrificazione, ricottura, taglio sottile, foratura, taglio, incisione, nonché microlavorazione ecc.; usando reazioni fotochimiche, per fare qualche esempio, deposizione chimica da fase vapore assistita da laser, epitassia da fase liquida, deposizione mediante sputtering, separazione isotopica; nella fusione nucleare laser, il grande sogno ancora irrealizzato di avere sorgenti di energia pulita.
La lavorazione con i laser dei materiali sta avendo un impatto crescente nell'ambito di tutte le tecnologie. I laser permettono di eseguire il taglio, la saldatura e la foratura di ogni tipo di materiali, dai metalli ai vetri, ceramiche, materiali plastici e tessuti. I laser di alta brillanza al femtosecondo e frequenze di ripetizione di qualche centinaio di Hz permettono di realizzare microtrattamenti ottici.
Altri esempi di applicazioni sono la saldatura di parti plastiche, il trattamento laser delle pareti dei cilindri dei motori, la foratura laser dei filtri per il combustibile o la foratura di ugelli per l'iniezione nei motori. L'efficienza delle turbine può essere aumentata dall'ottenimento di migliori flussi laminari praticando con il laser dei fori opportuni sulle superfici dei materiali. L'industria dei semiconduttori usa i laser per tagli, ablazioni, trattamenti dei wafer, trattamento microstrutturale delle superfici, incisione, flexografia, finitura. Lo sviluppo dei laser usati per il trattamento dei materiali è mostrato nella fig. 1.
Chimica laser
Molte applicazioni in questo campo si basano sulla stretta banda spettrale di laser accordabili, che permette un'estrema selettività nell'interazione con atomi e molecole liberi. In altre applicazioni, l'alta intensità spettrale ottenibile in regime sia pulsato sia continuo può saturare transizioni ottiche o indurre un gran numero di effetti non lineari, come, per es., la ionizzazione multifotonica, permettendo di ottenere schemi di rivelazioni ultrasensibili. Infatti, la rivelazione di singoli atomi o molecole è largamente usata ed è la sensibilità limite in chimica analitica. Laser ultraveloci permettono un dettagliato monitoraggio temporale della dinamica di reazioni chimiche su scale temporali dell'ordine dei femtosecondi. La chimica con laser al femtosecondo (una branca che si occupa dei processi che avvengono in tempi brevissimi) permette di studiare il moto degli elettroni e delle molecole nei materiali e anche di progettare nuovi materiali mediante l'innesco ben temporizzato di reazioni chimiche molecolari. In particolare, composti come le medicine, delle quali si richiede la produzione di piccole quantità, possono essere prodotti economicamente.
Sorgenti a raggi X
La generazione con laser di raggi X nella finestra dell'acqua con lunghezza d'onda compresa fra 2 e 4 nm di lunghezza d'onda sta fornendo nuove visioni nei meccanismi delle cellule degli organismi viventi mediante microscopi a raggi X molli.
Spettroscopia
La spettroscopia molecolare laser permette di caratterizzare e analizzare ogni specie di prodotti biochimici. Diodi laser a semiconduttori, diventati accessibili e affidabili e con un intervallo spettrale esteso a frequenze sempre più alte nella regione visibile, sono disponibili nel blu e sono realizzati con GaN o conversione in frequenza. Nuovi materiali laser, come il titanio-zaffiro, permettono di costruire sorgenti accordabili. L'analisi a diagnostica laser può essere eseguita in situ in molti casi in modo non distruttivo; è possibile eseguire sondaggi chimici remoti studiando la radiazione retrodiffusa o la fluorescenza (LIDAR, Light Detection and Ranging).
Le applicazioni della spettroscopia laser rappresentano un campo vastissimo della chimica analitica, e vanno dallo studio dei processi di combustione, dell'atmosfera e del suo inquinamento (mediante LIDAR) al monitoraggio della vegetazione e alla diagnostica in medicina. La LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) produce un microplasma del campione prodotto con un solo impulso ed esegue analisi spettrale della luce emessa. Sistemi di questo genere possono vaporizzare un singolo punto di un campione in un nanosecondo nonché misurarne l'emissione separando migliaia di righe d'emissione spettrali per singolo impulso, leggendo lo spettro completo in un decimo di secondo.
Beni culturali
L'impiego dei laser nel campo dei beni culturali merita di essere segnalato. Per applicazioni alla diagnostica si utilizza fluorescenza indotta da laser in cui un laser di bassa intensità produce un'emissione fluorescente le cui caratteristiche spettrali permettono di identificare materiali organici e inorganici come colori e vernici.
La LIBS permette di analizzare lo spettro del materiale ionizzato o di asportare incrostazioni su metalli e pietre. Soltanto un decimo di nanogrammo di materiale per impulso è rimosso via e la LIBS può dare risultati più selettivi e meno ambigui della fluorescenza indotta da laser. Per l'identificazione dei pigmenti si preferisce utilizzare la spettroscopia Raman.
I laser hanno numerosi vantaggi rispetto alle tecniche abrasive o chimiche tradizionali usate nella conservazione dei beni culturali. Per prima cosa il laser può essere selettivo rispetto al materiale da rimuovere. Scegliendo la lunghezza d'onda corrispondente all'assorbimento dello strato indesiderato, in linea di principio si può ottenere la rimozione di tutti gli strati eccetto quelli con basso assorbimento. Per es., la rimozione della sporcizia dal marmo può essere autolimitante, perché non avviene più quando la superficie chiara della pietra emerge; inoltre, è possibile eseguire un controllo della rimozione in tempo reale esaminando l'emissione della superficie. Un ulteriore vantaggio è la possibilità di una pulizia su aree molto piccole. La potenza del laser, la sua distanza, la frequenza di ripetizione degli impulsi, i movimenti del campione nonché il monitoraggio della pulizia possono essere tutti controllati mediante un computer.
Dispositivi ottici non lineari
Lo studio dell'ottica non lineare ha portato alla costruzione di numerosi dispositivi fotonici: duplicatori di frequenza; oscillatori parametrici (convertitori di frequenza); apparati capaci di innalzare la frequenza dei fotoni per visione notturna (up-converters); generatori di due fotoni a frequenza più bassa da un singolo fotone (down-converters); dispositivi che, basandosi su quest'ultimo effetto, permettono di creare fotoni correlati quantisticamente (entangled) per applicazioni nei calcolatori quantistici e nella crittografia quantistica.
Speciali geometrie di materiali compositi (cristalli fotonici) sono capaci non solo di guidare e piegare la luce (effetti lineari), ma anche di produrre armoniche, avere effetti parametrici, costruire down-converters ecc., su scala microminiaturizzata con dimensioni di pochi micron adatti per ottica integrata. I punti quantici (quantum dots), oggi diodi laser puntiformi, in futuro potranno essere sorgenti di singoli fotoni che vengono emessi a comando. Interazioni di singoli atomi in cavità elettromagnetiche, o con condensati di Bose-Einstein, permettono di rallentare o addirittura fermare la luce e riemetterla a comando.
Laser in medicina e biologia
È questa una delle aree della f. in più rapida crescita. In oculistica si sono avute le prime applicazioni per la fotocoagulazione, per saldare la retina in caso di distacco, per curare glaucomi, cateratte, per trattamento di tumori o per la sagomatura della cornea per cambiare il potere rifrattivo. Nell'ambito della diagnostica si usa la tomografia ottica. In chirurgia i laser, che sono cauterizzanti, permettono operazioni con minima invasività, minime perdite ematiche. I laser possono essere usati per la demolizione dei calcoli e per il trattamento delle arterie, oppure per il trattamento della pelle e la cura delle ulcere. Per la terapia viene impiegata la luce laser che attiva processi molecolari di prodotti immessi nell'organismo che si localizzano, per es., nei tumori al fine di distruggerli. La possibilità di guidare la luce con alta potenza in fibre sottili nel corpo permette tecniche con minima invasività. Strumenti per la manipolazione delle cellule, come gli optical tweezers (pinzette ottiche), i cell stretchers o i dissezionatori fotonici sono utilizzati per catturare celle specifiche dai tessuti per analisi o per iniettare molecole specifiche nelle cellule.
I metodi di analisi fluorescenti hanno rimpiazzato quelli radioattivi. Il ruolo delle tecnologie ottiche nel campo biomedico sta nella capacità dei fotoni di monitorare biomateriali in tempo reale, senza contatto e senza alcun disturbo per i processi vitali. In aggiunta, l'uso della luce come sonda permette di monitorare un gran numero di caratteristiche simultaneamente e di studiare processi molto complessi, come, per es., le reazioni delle proteine nelle celle viventi, con la possibilità di rivelare anche singole molecole.
Una classe di biosensori ottici (DNA chip) confronta il DNA preso da microrganismi in un campione con il DNA di noti agenti di guerra biologica. Per accelerare il processo di identificazione i sensori eseguono una copia del DNA usando una reazione a catena di polimerase (PCR). Mentre la PCR copia il DNA, i pezzi risultanti sono mescolati con sonde fluorescenti di DNA. La sequenza dei geni di ogni sonda complementa esattamente quella del DNA di uno specifico bioagente, con il risultato che la sonda si lega solo con quello specifico bioagente.
Per indicare la presenza di un bioagente la sonda è equipaggiata con un marcatore fluorescente; quando i campioni con la sonda legata con il bioagente sono illuminati emettono radiazione. Usando marcatori fluorescenti diversi per le diverse sequenze di DNA, più reazioni PCR possono procedere in modo parallelo; tutto ciò consente la rivelazione simultanea di più di un agente. Mentre in una fase iniziale questi chip venivano usati allo scopo di studiare varie malattie, dal cancro del seno alla leucemia, successivamente sono stati utilizzati anche per identificare contaminanti biologici.
Tecnica
In diversi modi è possibile eseguire una serie di operazioni sui fasci ottici per renderli più adatti ai differenti usi, come, per es., formatori di profilo e controllo di fase, sagomatura temporale e spaziale dei fasci, controllo del fascio in tempo reale, focheggiamento, unione di componenti ottici. Sensori tridimensionali vengono utilizzati per migliorare la risoluzione, per la guida dei veicoli nel buio o in presenza di nebbia con tecniche di visione nell'infrarosso, che danno alle macchine e ai dispositivi il senso della percezione visuale. Sono usate camere per generare immagini di oggetti (oppure di parti o di prodotti), da cui ottenere informazioni; questa tecnica è utilizzata per verificare processi, eseguire diagnosi, prendere decisioni intelligenti automaticamente, con assoluta affidabilità ed elevatissima velocità.
Sistemi innovativi di illuminazione che utilizzano diodi emettitori di luce già in uso, se introdotti in massa potrebbero far risparmiare almeno due milioni di barili di petrolio per il 2010. La fig. 2 mostra a confronto gli spettri di emissione di diversi tipi di lampade; si nota che con i LED (C) è possibile concentrare tutta la luce emessa nella regione del visibile. In alcuni casi l'uso di un opportuno fosforo permette di convertire parte dell'emissione in altri colori, ottenendo alla fine luce bianca. Inoltre, in generale la luce da un LED può essere usata più efficacemente perché l'emissione è direzionale. Con diodi laser o LED è possibile ottenere display da proiezione o per l'uso negli schermi dei telefoni mobili, delle camere digitali e in molti altri strumenti.
Infine, si può citare l'uso dei laser in metrologia, per creare standard di tempo o di lunghezza, per eseguire misure di precisione o creare nuovi dispositivi come, per es., i giroscopi ottici privi di parti mobili che sono in uso sugli aerei commerciali.
Bibliografia
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