Quello delle fibre ottiche multimodo è un settore di ricerca interessato da una crescita esponenziale negli ultimi anni. Le fibre ottiche multimodo, infatti, hanno notevoli vantaggi rispetto alle più comuni fibre ottiche singolomodo, che le rendono dei candidati ideali per applicazioni in campo biomedicale e per le telecomunicazioni, per citarne alcune. Tra i vari vantaggi, spicca la possibilità di guidare impulsi di luce di energia superiore ai limiti delle fibre singolomodo, che sono più facilmente danneggiabili quando fasci luminosi di alta intensità vengono focalizzati al loro interno. Questa proprietà, dovuta ad una maggiore estensione spaziale del nucleo rispetto alla controparte singolomodo, rende le fibre multimodo degli elementi promettenti per la realizzazione di laser in fibra ad alte potenze.
Ciononostante, anche le fibre ottiche multimodo presentano dei limiti sulla potenza massima supportabile, oltre la quale anch'esse subiscono danneggiamenti. Questi ultimi sono innescati da fenomeni ottici nonlineari che producono delle modifiche irreversibili della struttura atomica del materiale. Nello specifico, l'interazione tra la materia e la luce con livelli estremi di potenza produce la formazione di difetti, degradando perciò la qualità delle fibre e limitandone la trasmissione ottica.
Nel recente passato, sono stati condotti molteplici studi, sia teorici che sperimentali, per descrivere i fenomeni della formazione di difetti nei vetri (materiale di cui sono composte le fibre ottiche). Tuttavia, le proprietà di propagazione in sistemi guidati differiscono da quelle in sistemi massivi (bulk). Questo progetto si propone di studiare la formazione dei difetti e la loro caratterizzazione in fibre ottiche multimodo, che è un argomento ad oggi inesplorato e che indubbiamente avrà un'eco tanto nel mondo della ricerca fondamentale quanto in quella applicata.
Il progetto mira ad investigare un regime di propagazione nonlineare in FOM ad oggi relativamente inesplorato. Studi inerenti il regime di breakdown dei dielettrici sono stati condotti principalmente su sistemi bulk [1]. In questo senso, questo progetto rappresenta senza dubbio una sfida avanguardista ed innovativa.
Lo studio e l'utilizzo di FOM stanno subendo una crescita notevole negli ultimi decenni grazie alle proprietà uniche di questi sistemi. Il confinamento spaziale della luce durante la propagazione guidata, infatti, accentua le nonlinearità ottiche. Queste permettono, da un lato, di osservare nuovi fenomeni fisici, e dall'altro, di progettare e realizzare dispositivi con proprietà altrimenti non ottenibili con meri effetti lineari. Per questo motivo, l'ottica nonlineare in sistemi guidati è un argomento di interesse piuttosto ampio, che trova applicazione in molteplici campi: dalla biomedicina alla nanoingegneria [2].
La dinamica nonlineare in fibra è molto diversa da quella in sistemi massivi [3]. Nelle fibre ottiche è infatti possibile osservare fenomeni nonlineari che sarebbe altrimenti difficile, se non addirittura impossibile, realizzare nel bulk. Tra i tanti, è importante citare l'emissione spirale multicolore [4] ed il soliton self-frequency shift (SSFS) indotto dalla diffusione Raman [5].
Gli effetti nonlineari, a differenza di quelli lineari, dipendono dalla intensità della radiazione propagante. Pertanto, elevare il valore di intensità permette di ottenere effetti nonlineari sempre più pronunciati. Alcuni di questi sono stati osservati per la prima volta solo recentemente. Un esempio sono le perdite ottiche nonlineari in FOM quando queste sono attraversate da impulsi al femtosecondo di intensità al di sotto della soglia di danneggiamento [6].
Questo progetto si propone di studiare le perdite ottiche nonlineari in un regime più estremo, cioè ad intensità superiori della soglia di danneggiamento. Quest'ultima viene raggiunta quando laser sufficientemente intensi inducono modifiche locali ed irreversibili dell'indice di rifrazione. Ciò fornisce uno strumento potente nel campo della microstrutturazione: uno dei principali impieghi di laser a femtosecondi è infatti il cosiddetto micromachining, che sfrutta le modiche dell'indice di rifrazione per realizzare dispositivi ottici microstrutturati.
Applicazioni del micromachining riguardano anche il mondo delle fibre ottiche e, nello specifico, la realizzazione dei fiber Bragg gratings. In queste applicazioni, tuttavia, le proprietà guidanti delle fibre ottiche non giocano alcun ruolo. Infatti i fasci laser non vengono fatti propagare longitudinalmente, bensì trasversalmente all'asse di simmetria della fibra [7].
In questo progetto, invece, verranno combinate, per la prima volta, le proprietà guidanti delle FOM con la fisica del micromachining.
Nello specifico, nella prima parte del progetto, studierò sperimentalmente la generazione di difetti in FOM. Ciò non è mai stato riportato in letteratura e l'immagine "pionieristica" presente nella precedente sezione non è ancora stata oggetto di pubblicazione. Dall'immagine si può già evincere come la formazione di difetti sia un fenomeno non banale, la cui osservazione è legata tanto ad effetti nonlineari quanto alle proprietà intrinseche delle FOM. Nel caso specifico, infatti, la formazione di due agglomerati di difetti distanti poche centinaia di micron l'uno dall'altro è dovuta al self-imaging spaziale delle fibre GRIN.
Nella seconda parte del progetto, svilupperò un modello analitico che coniughi le proprietà guidanti delle FOM con la generazione di difetti. Ciò non è mai stato riportato in letteratura, e mira a rappresentare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte.
L'ultima parte suggellerà l'accordo tra i risultati sperimentali ottenuti nella prima parte e i modelli analitici della seconda. Ciò permetterà di determinare parametri fondamentali per la comprensione dei processi fisici che avvengono all'interno dei campioni di FOM.
[1] Stuart, B. C., et al. "Laser-induced damage in dielectrics with nanosecond to subpicosecond pulses." Physical review letters 74.12 (1995): 2248.
[2] Moussa, Nawell Ould, et al. "Spatiotemporal beam self-cleaning for high-resolution nonlinear fluorescence imaging with multimode fibres." arXiv preprint arXiv:2010.09340 (2020).
[3] K. Krupa, et al., "Multimode nonlinear fiber optics, a spatiotemporal avenue," APL Photonics4, 110901 (2019).
[4] Mangini, F., et al. "Rainbow Archimedean spiral emission from optical fibres." Scientific Reports 11.1 (2021): 1-10.
[5] M. Zitelli, et al., "High-energy soliton fission dynamics inmultimode GRIN fiber," Opt. Express28, 20473-20488 (2020)
[6] Ferraro, Mario, et al. "Femtosecond nonlinear losses in multimode optical fibers." arXiv preprint arXiv:2103.16983 (2021).
[7] Dragomir, Adrian, et al. "Inscription of fiber Bragg gratings by ultraviolet femtosecond radiation." Optics Letters 28.22 (2003): 2171-2173.