Il laser è uno dei piú famosi sistemi ottici, entrato ormai stabilmente nella vita di ogni giorno per le sue molteplici applicazioni. Le tipologie di laser sono numerosissime; si va da quelli a bassa potenza di emissione che si trovano in molti oggetti di uso quotidiano a quelli mastodontici e di grande potenza usati ad esempio nel taglio industriale di lamiere.
La caratteristica essenziale del laser, che lo fa differire radicalmente dalle sorgenti di luce convenzionali, è la coerenza (sia temporale che spaziale) della radiazione emessa. Nel caso della coerenza temporale, le onde elettromagnetiche prodotte dal laser sotto forma ad esempio di luce visibile mantengono la loro fase nel tempo, e come conseguenza è possibile ottenere una estrema purezza (monocromaticità: il loro colore). La coerenza spaziale, ovvero il fatto che punti in diverse posizioni trasversali del fascio hanno una differenza di fase costante, comporta la direzionalità: la capacitá di collimare il fascio su aree molto piccole potendo dunque concentrare la potenza fino a valori elevatissimi.
Queste proprietá sono specifiche del laser, ottenute dalla combinazione di un opportuno sistema di guadagno ottico, in grado di indurre la coerenza del segnale amplificato mediante un processo chiamato emissione stimolata, e di una cavità , che permette di re-iniettare il segnale amplificato nel mezzo con una retroazione positiva. Tutti i laser condividono la stessa struttura, basata su questi due ingredienti fondamentali.
Figura 1: Schema di laser con cavità a specchi piani e paralleli.
Il loro principio di funzionamento si può descrivere a grandi linee come segue. Nella cavità è presente inizialmente una piccola quantitá di energia sotto forma di fotoni (quanti di luce) distribuiti in modo casuale. Parte di questa energia viene amplificata in modo selettivo dal mezzo attivo, che produce nuovi fotoni con le stesse caratteristiche (frequenza, etc) mediante un processo chiamato emissione stimolata che in modo consistente aumenta la loro popolazione.
La cavità permette la selezione delle caratteristiche dei fotoni amplificati: ad esempio, riferendosi alla Fig.1, consente solamente a quelli che si propagano lungo l’asse longitudinale di essere re-iniettati nel mezzo attivo e dunque di sostenere il processo. L’azione combinata del mezzo attivo, sostenuta da una quantitá costante di energia che viene immessa nel sistema (pompaggio), e della retroazione della cavità, produce l’emissione laser.
Si può dunque pensare il laser come un sistema altamente efficiente per trasformare l’energia incoerente fornita dal pompaggio in una emissione coerente di radiazione; il suo nome, acronimo di “light amplification by stimulated emission of radiation” descrive sinteticamente questo meccanismo.
In Fig.1 si riporta un esempio di schema di sistema laser. In questo caso, la cavità è costituita da un risuonatore a specchi piani e paralleli (Fabry-Perot), che riflette dentro il mezzo attivo l’energia amplificata. Nei laser attualmente disponibili viene impiegata una grandissima varietá di mezzi attivi, in tipologia (gassosi, a semiconduttore, a stato solido..) e metodologia di pompaggio (ottica coerente o incoerente, elettrica,…). La radiazione emessa spazia dai raggi X al profondo infrarosso, passando per la radiazione visibile dei laser che conosciamo direttamente (ad esempio, rosso e verde). Fra i più diffusi tipi di laser, si possono citare quelli a semiconduttore presenti nei lettori CD/DVD/Blue-Ray, con emissioni a 780 nm (vicino infrarosso), 650 nm (rosso) e 405 nm (violetto) rispettivamente. Molto comuni sono anche i puntatori laser per presentazioni o segnalazioni, con emissioni tipicamente nel rosso o nel verde. Altri esempi vengono dalle telecomunicazioni, ad esempio per i segnali trasmessi su fibra ottica alla lunghezza d’onda di 1.55 µm, fino ai laser chirurgici che spesso lavorano nel verde e sono basati su mezzi attivi a stato solido.
Si deve notare invece che nella quasi totalità dei laser vengano utilizzate cavità con geometrie semplici, come la lineare della Fig.1 o ad anello. La loro forma determina le possibile frequenze di oscillazione (modi) della luce emessa dal laser, che nei casi suddetti si possono determinare con relativa facilità.
Una domanda che si può porre è se, utilizzando delle opportune tecniche di confinamento della luce, si possano costruire dei sistemi laser con cavità complesse, generalizzando cioè le geometrie normalmente utilizzate. Inoltre, ci può anche chiedere se questa estensione possa riguardare anche il mezzo attivo, che in un sistema complesso potrebbe essere “delocalizzato” in diversi punti spazialmente separati. In risposta a tale domanda, in uno studio recentemente pubblicato ricercatori del CNR hanno dimostrato le proprietà laser di sistemi costituiti da reti ottiche complesse con guadagno. Tale sistema é stato denominato LANER (“lasing network”).
Le configurazioni analizzate sono realizzate con fibre ottiche, connesse fra loro mediante accoppiatori; in alcuni tratti di fibra sono presenti dei sistemi di amplificazione. Il sistema può essere considerato come una piccola realizzazione di un sistema di comunicazione su fibra ottica, in cui le informazioni sono codificate con luce che viaggia nelle fibre e, per ovviare alla sua dissipazione in tratti molto lunghi, viene amplificata (rigenerata) nei tratti con guadagno. La presenza di questi ultimi è in grado di trasformare tutta la rete considerata in un laser complesso. Un esempio suggestivo è mostrato in Fig. 2.
Figura 2: Possibile schema di LANER.
Il concetto alla base del sistema è che la luce, che viene amplificata in mode coerente nei tratti attivi, è “imprigionata” dentro la rete costituita dalle fibre ottiche accoppiate fra loro (anche in modo molto intricato). In questo modo, la rete stessa diventa un complicata cavità, dove la radiazione emessa viene forzata a passare molte volte nei tratti con guadagno producendo l’azione laser con il meccanismo spiegato in precedenza.
La principale ed evidente relazione con la scienza della complessità di questo sistema è la possibilità di costruire reti caratterizzate da specifiche proprietá strutturali (il modo con cui sono collegate fra loro le fibre ottiche: la topologia delle connessioni) e di poterne investigare l’effetto sullo spettro di emissione laser del sistema.
In particolare, è stato dimostrato che il sistema puó essere considerato come un random laser discreto: ovvero, un laser in cui il meccanismo di guadagno deriva da un cammino disordinato dei fotoni in un mezzo in cui propagano ed interagiscono saltuariamente con punti di guadagno dove vengono amplificati. Nel nostro caso, il cammino pur essendo disordinato si svolge su un numero contabile di traiettorie (limitate ai cammini percorribili sulla rete): da questi la discretizzazione. L’evidenza di tale comportamento risiede nella misura di proprietà statistiche delle luce emessa, che risultano caratterizzate da distribuzioni a coda lunga (processi di Levy) tipiche dei random laser convenzionali. Il formalismo con cui questi meccanismi possono essere descritti sono tipici dello studio della diffusione caotica e si collegano al settore del quantum chaos, dove analogamente a questo sistema, si considerano processi che evolvono su reti (descritti matematicamente utilizzando il formalismo dei grafi).
Figura 3: Le connessioni del LANER.
Il LANER rappresenta un punto di incontro di diversi temi apparentemente scorrelati, le cui principali connessioni sono mostrate in Fig. 3. Esso può dunque rappresentare un potente strumento concettuale e di laboratorio per lo studio di sistemi dinamici su reti complesse e di possibili nuovi sistemi ottici con azione laser.