Laser casuale e rottura della simmetria replicata in GeO2
Scientific Reports volume 12, numero articolo: 19438 (2022) Citare questo articolo
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Abbiamo studiato il processo laser casuale e il fenomeno Replica Symmetry Breaking (RSB) in vetroceramiche (GC) drogate con ioni neodimio (Nd3+) contenenti MgO. I campioni di vetro sono stati fabbricati mediante la tecnica convenzionale di tempra per fusione e i GC sono stati ottenuti devetrificando attentamente i vetri originali a 830 °C per diversi intervalli di tempo. La cristallizzazione parziale dei vetri genitori è stata verificata mediante diffrazione di raggi X. Per i campioni con un grado di cristallinità più elevato (ricotto durante 5 ore) è stato osservato un miglioramento della fotoluminescenza (PL) del \(\circa\) 500% rispetto ai vetri originali. Polveri con grani di dimensione media di 2 µm sono state preparate grigliando i campioni di GC. Il Random Laser (RL) è stato eccitato a 808 nm, in risonanza con la transizione Nd3+ 4I9/2 → {4F5/2, 2H9/2}, ed emesso a 1068 nm (transizione 4F3/2 → 4I11/2). Le prestazioni RL sono state chiaramente migliorate per il campione con il grado di cristallinità più elevato, la cui soglia di eccitazione della fluenza energetica (EFEth) era 0,25 mJ/mm2. Le prestazioni migliorate sono attribuite alla crescita del tempo di residenza dei fotoni all’interno del campione e alla maggiore efficienza quantica di Nd3+ incorporato nei microcristalli, dove le perdite radiative sono ridotte. Inoltre, il fenomeno della Replica Symmetry Breaking (RSB), caratteristico di una transizione di fase fotonica, è stato rilevato misurando le fluttuazioni di intensità dell'emissione RL. Il parametro di sovrapposizione di Parisi è stato determinato per tutti i campioni, per l'eccitazione al di sotto e al di sopra dell'EFEth. Questa è la prima volta, per quanto a conoscenza degli autori, che l’emissione RL e RSB vengono riportate per un sistema vetroceramico.
L'azione del laser in mezzi disordinati, senza cavità ottiche, è stata oggetto di intensi studi teorici e sperimentali a partire dal lavoro pionieristico di Letokhov1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. In questo tipo di sistemi laser, attualmente denominati Random Laser (RL), il meccanismo di feedback che contribuisce all'amplificazione ottica non è ottenuto da una cavità ottica ben progettata come nei laser convenzionali. Invece, il feedback ottico è ottenuto dalla diffusione della luce dovuta a disomogeneità dell'indice di rifrazione all'interno di un mezzo disordinato12,13.
Finora sono stati segnalati RL per diversi sistemi. Ad esempio, le particelle di diffusione disordinata possono essere incorporate nel mezzo di guadagno, come nelle soluzioni liquide di coloranti laser contenenti particelle ad alto indice di rifrazione in sospensioni14,15. I coloranti possono anche essere incorporati in matrici solide, come membrane polimeriche16, tessuti biologici17 e vetri prodotti da sol-gel18, tra gli altri.
L'uso di laser casuali è stato ampiamente riportato anche per le polveri cristalline drogate con ioni di terre rare (REI)19,20,21,22,23,24,25. In questi sistemi le particelle agiscono sia come mezzo di guadagno che come diffusori. In particolare, il laser casuale può essere ottenuto anche da fibre ottiche drogate REI, dove il feedback può essere ottenuto grazie a riflessioni di luce in reticoli di Bragg casuali scritti in fibre con indici di rifrazione non uniformi26,27, o fibre con nuclei di vetro separati di fase28.
Curiosamente, i rapporti RL basati su particelle vetrose drogate con REI sono molto scarsi. Diversi anni fa, è stata segnalata una upconversion RL che emette nell'UV, basata su una polvere di vetro fluoroindata drogata con ioni neodimio29. Più recentemente, abbiamo dimostrato l'azione RL nelle polveri di vetro zinco-tellurite drogate con neodimio (Nd3+)30. Il meccanismo di feedback RL era fornito dai riflessi della luce sulle interfacce granelli vetrosi-aria.
Anche i lavori su RL in vetroceramica (GC) sono rari31,32. Tuttavia, i GC sono mezzi interessanti per i dispositivi fotonici, poiché possono sopportare eccitazioni ad alta potenza e hanno un'elevata soglia termica. Inoltre, i GC possono essere pesantemente drogati con ioni di terre rare per alterarne le caratteristiche di emissione31. Nonostante ciò, per quanto ne sappiamo, il presente articolo è il primo rapporto di una RL basata su vetroceramica drogata con Nd3+. Il nostro obiettivo era valutare e caratterizzare l'influenza del grado di cristallizzazione della polvere di GC sulle prestazioni degli RL. Per questa ricerca, la scelta del vetro genitore-germanato di piombo è stata fatta per diverse ragioni discusse di seguito.