LASERquantumoptics.roma1.infn.it/Mataloni/files/Laseresueapplicazioni.pdf · LASER e la monocromaticità specifica la “purezza” del colore. La luce bianca, come la luce emessa

LASER

Light Amplification by

Stimulated

Emission of Radiation Amplificazione della luce per emissione

stimolata di radiazione

Qual’è la differenza fra la luce normale e la luce LASER ?

• La monocromaticità e la lunghezza d’ondaLa lunghezza d’onda specifica il colore della luce emessa dal LASER e la monocromaticità specifica la “purezza” del colore.

La luce bianca, come la luce emessa dal Sole o da una lampadina, è composta datutti i colori.

400 nm < � < 800 nm LASER

Un LASER emette solo in una regione estremamente piccola dello spettro.

632,80nm < � < 632,81nm

Qual’è la differenza fra la luce normale e la luce LASER ?

• La divergenza Normali sorgenti di luce emettono onde in tutte le direzione. Diversamente il LASER emette radiazione solamente in una direzione ben definita.

LASER

Qual’è la differenza fra la luce normale e la luce LASER ?

• L’intensità indica quanta luce è presente al secondo.

In un LASER tutta la potenza emessa è raccolta su una regione di spazio molto piccola

• LASER in regime continuo

• regime impulsato

LASER

LASER

Come funziona il LASER ?

Schema di un LASER

• I) Mezzo attivo: mezzo (gas, cristallo,

liquido) che emette la luce

• II) Sistema di pompaggio: fornisce energia

al mezzo attivo

• III) Cavità ottica: trappola per la luce

I) Il mezzo attivo

Atomo: livelli energetici

• Atomo: livelli energetici quantizzati

Energia E1

Livello fondamentale, a riposo

Atomo: livelli energetici

• Atomo: livelli energetici quantizzati

Energia E2

Energia E1

E2 > E1

Livello fondamentale, a riposo

Livello eccitato

Interazione fra atomo e radiazione: assorbimento

• Atomo nel livello energetico E1

E2

E1

Fotone di

energia E2 – E1

Assorbimento

• Atomo nel livello energetico E2

E2

E1

Fotone di energia E2 – E1

assorbito

Emissione spontanea

• Atomo nel livello energetico E2

E2

E1

Emissione spontanea

• Atomo nel livello energetico E1

E2

E1

Emesso fotone di

Energia E2 – E1

Emissione spontanea

• Sfruttata in tutte le sorgenti quali lampadine, LED,

televisore, fuoco

Mezzo viene eccitato elettronicamente (televisore)

o termicamente (fuoco)• Isotropica (luce emessa in tutte le direzioni)• Larghezza di riga (spettro di lunghezza d’onda)

lampadina emette onde di tutte le lunghezze d’onda

Emissione stimolata

• Atomo nel livello energetico E2

E2

E1

Fotone di

energia E2 – E1

Emissione stimolata

• Atomo nel livello energetico E1

E2

E1

2 fotoni di

energia E2 – E1

Emissione stimolata per amplificare la luce

E2

E1

E2

E1

Emissione stimolata per amplificare la luce

Amplificazione dovuta all’emissione stimolata alla base del funzionamento del LASER

I) Il sistema di pompaggio

Come si portano gli atomi dal livello energetico E1 al livello E2

Sistema di pompaggio: fornisce energia al mezzo attivo

• Eccitazione elettronica (corrente, scariche elettriche)

• Pompaggio ottico (lampade molto intense)

Mezzo con inversione di popolazione

Mezzo con inversione di popolazione: il Rubino

Pompaggio ottico

E2

E1

Livello fondamentale

Livello eccitato

III) La cavità ottica

Cavità ottica

Luce intrappolata

Specchio conRiflettività del 100 %

Specchio conRiflettività < 100 %

Primo LASER: 1960

Università di Malibu, CaliforniaProf. Maiman (1960)

Emissione spontanea

Emissione stimolata

Premi Nobel per il LASER

Premio Nobel per la Fisica del 1964 :Nikolai Gennadievich Basov (Russia)

Alexander Mikhailovich Prokhorov (Russia)

“ per la ricerca di base nel campo della fisica sperimentale,

che ha portato alla scoperta del maser e del laser“

Charles Hard Townes (USA)

“per il lavoro fondamentale nel campo dell’elettronica quantistica, che ha portato alla

costruzione di oscillatori ed amplificatori basati sul principio del maser-laser"

Premio Nobel per la Fisica del 1981:Nicolaas Bloembergen (USA)

Arthur L. Schawlow (USA)

“per il loro contributo alla sviluppo della spettroscopia laser"

LASER a gas

Gas Potenza di picco

Lunghezza d’onda

Utilizzo

He-Ne 1 mW 633 nm Scanner del supermercato

Argon 10 W 488 nm Effetti speciali discotecheUtilizzo Medicale

CO2 200 W5 mW

10.6 � m10.6 � m

Taglio ed incisioneTrattamento della pelle

Litografie MedicinaLASER a CO2

Potenza superiore a 200 WTagli ed incisioni di materiali

Sono molti i vantaggi del bisturi-

LASER, un vero e proprio bisturi di

luce, in grado di tagliare e nello stesso

tempo di coagulare i vasi sanguigni.

LASER a semiconduttori

Specchi

Mezzo attivo Emissione

luce

Materiale Potenza di picco Lunghezza d’onda Utilizzo

GaAs 5 mW 840 nm Lettori CD

AlGaAs 50 W 760 nm Stampanti

GaInAsP 10 mW 1.3 � m Communicazioni in fibra ottica

LASER a semiconduttori Comunicazioni in fibra ottica

Fibra ottica

capello umano≈ 70 � m

Invenzione: inizio anni ’70Luce intrappolata all’interno del “cuore” dellaFibra (core) della dimensioni di alcuni � m

CD-ROMCompact Disc - Read Only Memory

-Informazione codificata con i bits, che assumono i

valori 0 o 1.

-Incisioni di dimensioni di alcuni � m su un supporto

-Lettura delle incisioni mediante LASER

Monitoraggio ambientale:LIDAR

LIght Detection And Ranging

I) Un fascio LASER è spedito nell’atmosfera

I) Si rivela la porzionedi fascio riflesso

ApplicazioniI) Studio ambientale, inquinamento,

ozonoI) Analisi meteorologicheII) Ricostruzioni topografiche

Monitoraggio ambientale:LIDAR

LIght Detection And Ranging

Fascio LASER� = 532 nm

Il LASER: Il LASER: strumento fondamentale strumento fondamentale

per lo studio dei fenomeni per lo studio dei fenomeni quantisticiquantistici

Superficie del sole 6000 K

Ebollizione dell’acqua 373.15 K

Temperatura ambiente 295 K circa

Congelamento dell’acqua 273.15 K

Liquefazione dell’azoto 77.36 K

Liquefazione dell’4He 4.215 K

Temperatura dello spazio 3.1 K

Doppler cooling 0.0001 K (100µK)

Typical laser cooling 0.00001 K (10µK)

Refined laser cooling <0.00000017 K (170nK)

Il LASER per raffredare gas di atomi a temperature estremamente basse

T = 0 K zero assoluto

Fisica Atomica: LASER coolingIl LASER cooling è un metodo per raffredare un gas,

tipicamente atomi di metallo a bassa di temperatura (Rubidio, Sodio, Cesio) a temperature di alcuni � K.

Fisica Atomica: LASER cooling

Premio Nobel per la Fisica 1997 Steven Chu, Stanford University, Stanford, USA Claude Cohen-Tannoudji, College de FranceWilliam D. Phillips, National Institute of Standards, USA “per lo sviluppo delle tecniche di raffredamento e intrappolamento degli atomi con luce laser."

Temperatura raggiunta 2.5 � K

Bose Einstein Condensation

LASERI fotoni di un LASER sono identici

Si trovano nello stesso statoFenomeno di natura quantistica

Si può osservare lo stesso fenomeno per gli atomi ma ad una temperatura estremamente bassa (a circa 100 nK) Questo fenomeno si chiama condensazione di Bose-Einstein

Gas di atomi Condensato di Bose-Einstein

T = 100 nK

Bose Einstein Condensation

Diminuzione della Temperatura

Bose Einstein Condensation

Premio Nobel per la Fisica del 2001 :Eric Cornell (USA) Wolfgang Ketterle (USA)Carl Weiman (USA)

20 mSec Time-of-Flight absorption image of 5x104 Rubidium atoms in a Bose Condensate (T ~ 100 nK)

Nobel Prize in Physics Winners 2005

(

ROY J. GLAUBER for his contribution to the quantum theory of optical coherence and one half jointly to JOHN L. HALL and THEODOR W. HÄNSCH for their contributions to the development of laser-based precision spectroscopy, including the optical frequency comb technique

Nobel Prize in Physics Winners 2012

(

SERGE HAROCHE and DAVID J. WINELAND for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems

Futuro: Informazione quantisticaTeletrasporto di un fotone

BOB S�

ALICE

E N I A C ( 1 9 4 6 )E l e c t r o n i c N u m e r i c a l

I n t e g r a t o r A n d C o m p u t e r

1 8 . 0 0 0 v a l v o l e t e r m o i o n i c h e ,

3 0 t o n n e l l a t e ,

1 8 0 m q

O G G I . . .

T i a n h e - 1 A ( 2 0 1 0 )

S u p e r c o m p u t e r

O p e r a z i o n i p e r s e c o n d o 1 P e t a F l o p s

I - P h o n e 4 s ( 2 0 1 2 )R A M 5 1 2 M b

B r e a k i n g n e w s !F e b r u a r y 1 9 , 2 0 1 2

INTERFERENCEINTERFERENCE

“…the heart of quantum mechanics. “…the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only In reality it contains the only

mystery ...” mystery ...”

R.P. Feynman (1965)R.P. Feynman (1965)

Sorgente

A

B Probability of detectingthe particle

P(x) = PA(x) + PB(x)

Single particle interference(classical prediction)

A

B

The particle passes through both slits!

Quantum interference

Interference fringes

Electrons passing through 2 slits

N = 1 0 N = 1 0 0 N = 3 0 0 0 N = 2 0 0 0 0 N = 7 0 0 0 0N = 1 0 N = 1 0 0 N = 3 0 0 0 N = 2 0 0 0 0 N = 7 0 0 0 0

“We choose to examine a phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way,

and which has in it the heart of quantum mechanics. In reality, it contains the only mystery.

We cannot make the mystery go away by explaining how it works...”

R. Feynman

Superposition of two orthogonal states

What about macroscopic objects?

?

Fullerene C60

Fullerene C60

C168

H94

F152

O8N

4S

4

430 atomi

“A phenomenon is not a phenomenon until is a measured phenomenon…”

J. A. Wheeler

“Esiste la luna in cielo se io non la guardo ?”

A. Einstein

Esistono le “proprietà oggettive”, gli “elements of physical reality” ?

A. Einstein

“It from bit” J.A.Wheeler

La realtà è creata anche dalle nostre domande,ovvero dall'informazione acquisita.

L’osservazione perturba il fenomeno: [“Indeterminazione di Heisenberg”]

Einstein: « Dio non gioca a dadi »

The theory yields a lot, but it hardly brings us any closer to the secret of the Old One. In any case I am convinced that He does not throw dice.

(Einstein to Max Born, 4 December 1926)

L'interpretazione di Copenhagen della Meccanica Quantistica:

“Lo scopo della nostra descrizione della natura non è il cercare l’essenza reale dei fenomeni ma soltanto

l’indagare con la massima profondità possibile le relazioni tra i molteplici aspetti della nostra

esperienza.”

Niels Bohr (1934)FAPP interpretation (For All Practical Purposes)

Per tutti i fini pratici

« While we have shown that the wave function does not provide a complete description

of the physical reality, we left open the question of whether or not such a description exists.

We believe, however, that such a theory is possible. »

Paradosso EPRper dimostrare che la Meccanica Quantistica

NON è la teoria definitiva

viene introdotto il concetto di entanglement

Entanglement:intreccio, groviglio

« I would not call entanglement one but rather the characteristic trait of quantum mechanics,

the one that enforces its entire departure from classical lines of thought. »

E. Schroedinger (1935)

Quantum Nonlocality

...non importa quanto spazio intercorra tra due particelle correlate attraverso l'entanglement. Queste comunicheranno fra di loro come se non ci fosse alcuno spazio...

« spooky action at distance »... azione spettrale a distanza...

Quanto veloce ?!?

… se fosse un'azione a distanza.. sarebbe almeno 104 più veloce della luce

… ma non può essere usato per comunicare in modo diretto!!

Quantum nonlocality test inside the lab...

...or outside the lab

… fino al teletrasporto quantistico...

Cosa si teletrasporta ?

La funzione d'onda

… long range quantum teleportation

“Information is physical” R. Landauer

Information processing

governed by physics laws

i386i386

1986

1 micron

2020

1 nanometro

1879QubitL'evoluzione della Information Technology

BIT

BIT: Variabile dicotomica 0 o 1

QU-BIT:

QubitQUBIT (Quantum Bit)

000 001 010 011 100 101 110 111

101

Classical Register Quantum Register

0 10 or 1

Classical Bit Quantum Bit

0, 1,

3-bit Register

Classical: can store exactly one of the eight different numbers, 000, 001, 010, ….., 111

Quantum: can store up to eight numbers in a quantum superposition of N qubits: up to 2N numbers at once

Quantum Register

By 2015 a single electron can be confined in a transistor

Example: factorizing a 1024-digit number:

- Classical computer takes a period > universe lifetime- Quantum computer could find the answer in 1sec.... (P.W. Shor 1994)

Quantum Computation

Experimental realization entangled photon states

Implemented by spontaneous parametric down conversion (SPDC)

In type I crystals photon pairss are created over conical regions and with equal polarization, orthogonal to the pump one

SPDC:

Non-deterministic process

Energy conservation:

Momentum conservation:

Degenerate emission:

Low generation probability

Photonic quantum simulators

Quantum phenomena with macroscopic systems?

Il paradosso del gatto di Schroedinger

Atomo non decaduto

Atomo decaduto

Gatto vivo

Gatto morto

Non si osservano gatti vivi e morti allo stesso tempo!Interazione con l’ambiente: perdita di coerenza

Stato di sovrapposizione mistura statistica (vivo e morto) (vivo o morto)

( )

Zurek, Physics Today, October 1991, page 38

La frontiera fra il mondo classico e quello quantistico