Il Laser 50 anni di applicazioni

Il Laser 50 anni di
applicazioni
Alberto Porzio
CNR/SPIN Napoli
A.I.F. Associazione per l'Insegnamento della Fisica
XLIX CONGRESSO NAZIONALE
SALERNO - 20 Ottobre 2010
L’oggetto hi-tech più diffuso al mondo
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CD/DVD
Codici a barre
Telecomunicazioni/elettronica
Monitoraggio ambientale
Sistemi di navigazione aerea e navale (giroscopi)
Medicina
Lavorazioni meccaniche/stampa/incisioni
Effetti speciali
…
Perché?
Coerenza → Interferenza
 Monocromaticità → Precisione spaziale nella
focalizzazione
 Collimazione spaziale → Densità di energia
 Ampia copertura spettrale → Versatilità
 Tunabilità → Selettività

Qualche appicazione più in dettaglio
I dischi ottici ed la lettura dei codici a barra
 Le telecomunicazioni ottiche
 L’Analisi di composizione dei materiali
 I giroscopi
 Il “quantum computer”
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CD/DVD: la storia
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Concepito come strumento analogico nel
1958 (prima della realizzazione del primo
laser!!!) per la registrazione video
nell’industria cinematografica … con poco
successo (era di prestazioni nettamente
inferiori alle cassette VHS)
Nel 1978 la Philips annuncia la nascita del
compact disc digitale (progetto iniziato nel
1969) ma… fu un fallimento commerciale
per i costi elevati sia del disco che del
player…
Nel 1979 la Philips e la Sony (alleate)
lanciano l’attuale versione…
1995 (ca.) nasce il DVD
2006 nasce il blue-ray disc …
2010 esistono OD con capacità fino a
500GB
CD/DVD: come funziona
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La superficie del disco è lavorata in “pits”
ad ogni “pit” corrisponde un elementino
di superficie resa oscura (valore logico 0)
o lasciata riflettente (valore logico 1)
La possibilità di focalizzare con
precisione il fascio di lettura aumenta la
capacità di immagazzinamento del
sistema…
Il blue-ray utilizza un laser nel blue
(lunghezza d’onda minore) con maggiore
potere risolutivo (ovvero una maggiore
precisione spaziale data dalla minore
lunghezza d’onda) e maggiore capacità
(fino a 25 GB per strato)
Cambiando la distanza focale è possibile
leggere (e scrivere) a diverse profondità
sul disco (multi-layer)
Codici a barre
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Il principio di
funzionamento è
esattamente quello dei
dischi ottici…
Il laser effettua una
scansione spaziale
lungo il codice e
registra il pattern in
riflessione
(tele)Comunicazioni ottiche

Che le comunicazioni “ottiche” fossero quelle più a
lungo raggio era noto fin dall’antichità … difatti la
comunicazione ottica non è nata con il laser …
– linguaggio dei segni
– semafori
– fari marittimi
– segnali di fumo
– comunicazione attraverso specchi
– razzi di segnalazione
La comunicazioni con il laser
Le proprietà di coerenza fanno si che il
segnale laser rimanga inalterato lungo grandi
distanze ammettendo di avere un mezzo in
uci tale segnale si attenui debolmente …
 La maggior parte delle comunicazioni ottiche
avvengono in fibra con bassa attenuazione e
possibilità di guidare il fascio lungo percorsi
non rettilinei

Come funziona una fibra?
Il principio di funzionamento di
una fibra è quello della
riflessione totale per rifrazione
oltre l’angolo di Brewster in
“fibre” di vetro dello spessore
pari a quello di un capello
 Esistono moltissimi tipi di fibre
(singolo o molti modo, PM,
hollow fibers …)
 In telecomunicazioni si usano
fibre multi modo, le più
economiche, (le proprietà
spaziali del fascio non sono
troppo importanti)

Lo sviluppo delle telecomunicazioni nel corso del tempo
1961 Prima dimostrazione dela propagazione lungo una “fibra” di vetro. La tecnica
viene ritenuta poco promettente a causa delle perdite elevate.
 1962 Primo laser a semiconduttore, GaAs, pompato direttamente dalla corrente
elettrica, emette nell’IR, laddove il vetro assorbe molto poco …
 1966 Viene dimostrato il limite teorico alle perdite per trasmissione in fibra, molto
più basso del limite “tecnologico” dell’epoca → impulso a realizzare fibre di alta qualità
 1975 Prima dimostrazione di conversazioni telefoniche in fibra. In Gran Bretagna
viene realizzato il primo collegamento in fibra tra uffici del dipartimento di Polizia
 1977 Le compagnie telefoniche iniziano a sperimentare la trasmissione in fibra. A
Chicago due centrali vengono collegate tra loro in fibra (~ 3km).
 1980 L’AT&T annuncia che installerà un collegamento in fibra fra Boston e
Washington, D.C. Il segnale video delle Olimpiadi invernali di Lake Placid viene
trasmesso in fibra.
 1988 Il primo collegamento in fibra che attraversa l’oceano Atlantico collega
l’America del Nord con la Francia capace di trasmettere in simultanea 40.000
telefonate.
 1996 Primo cavo transpacifico (USA-Giappone) capace di 320.000 comunicazioni
in simultanea.
 1997 Collegamento tra Giappone-India-Europa realizza il Fibre Optic Link Around
the Globe.

Come funzionano le comunicazioni
ottiche con il laser (I)

Codifica
–

Il segnale video/audio/dati viene tradotto in digitale
Unità trasmittente
–
modulazione di un laser (a diodo)
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Fibra/Amplificatori rigenerativi
–

Ogni 150km (ca) un pezzo di fibra, opportunamente
drogato con un mezzo laser (Erbio) amplifica il
segnale ottico (in passato il segnale veniva
“ripetuto”)
Unità ricevente
–

esterna (con un modulatore elettro-ottico, più costosa
ma permette distanze maggiori)
Interna (si sfrutta la corrente stessa che pilota il laser,
poco costosa ma “rovina” la qualità del “carrier”)
Un fotodiodo in rivelazione diretta trasforma il
segnale ottico in elettrico
Decodifica
–
Il segnale riassume la sua froma originaria ed è di
nuovo disponibile
Come funzionano le comunicazioni
ottiche con il laser (II)

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In realtà le cose sono un tantino
più complesse …
Wavelength Division
Multiplexing
– In questo caso c’è bisogno di
fibre singolo modo (altrimenti i
diversi segnali si mischiano!!!)
– Viene usato sulle dorsali e non
sulle singole linee
– In questo modo si arriva a
velocità di trasmissione di 14
Terabits per second
Lavorazioni (quasi-)nanometriche (I)
Korte et al, Appl. Phys. A 77, 229 (2003)
Lavorazioni (quasi-)nanometriche (II)

Il limite alla precisione è dato sia dalla lunghezza
degli impulsi che dalle lunghezze d’onda utilizzate
Analisi di composizione di materiali mediante
LIBS - Laser Induced Breakdown Spectroscopy
/ LIPS - Laser Induced Plasma Spectroscopy
Vantaggi
• analisi chimica di campioni;
• rapida e semplice;
• elevata sensibilità spaziale;
• portabile;
Svantaggi
•semi-quantitativa;
Applicazioni
1.Ambiente: controllo della qualità dell’aria, del suolo, analisi dei minerali disciolti nelle
rocce o sedimentati (percolazione:…)
2.Scienze della vita: materiali biologici; analisi farmacologica
3.Archeologia: analisi dei tessuti, dei pigmenti, dei lavorati mettalici e ceramici, dei vetri …
3.Industria: analisi di purezza nelle leghe, negli acciai, nei semiconduttori
L’effetto Sagnac
I fasci viaggianti in
direzioni opposte
“vedono” cavità di
lunghezza diversa ed
accumulano una differenza
di fase
 Dall’analisi del battimento
(interferenza) tra I fasci si
risale alla velocità di
rotazione del sistema

I giroscopi
I Gyrolaser sono misuratori di
velocita', basati sull'effetto
Sagnac, largamente utilizzati per
la navigazione marittima ed aerea
(risoluzioni ~ 10-4 o/h)
 Gyrolaser con risoluzioni
migliori di 10-8 o/h sono
attualmente utilizzati in geofisica
 Con sensibilità di 10-11 o/h si
potrebbero misurare effetti dir
elatività generale (LenseThirring)

Ricerca di base
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Spectroscopy
Lunar laser ranging
Material processing
Photochemistry
Laser cooling
Nuclear fusion
Microscopy
Optical tweezer
Quantum computer
Il computer “quantistico”
Un computer quantistico è un dispositivo computazionale
governato dalle leggi della meccanica quantistica.
 Le interazioni che rendono efficace il processo di
computazione su distanze prossime alla scala atomica

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer)‫‏‬
INTEL
Pentium 4
transistor
La legge di Moore
•“Il numero
di transistor per chip si
raddoppia ogni due anni” (1965
Gordon Moore - IBM)
•Il numero di atomi necessari alla
codifica di un singolo bit si va
riducendo allo stesso modo
•Tale previsione è stata rispettata fino
al 2007 (fonte INTEL Co.)‫‏‬
•Con questo ritmo presto la dinamica
dei transistor sarà “quantistica”
21
L'intuizione di Feynmann
1981
“Non è possibile
simulare un sistema quantistico
con un computer basato sulle
leggi della Fisica classica”
22
Il principio di sovrapposizione
In
meccanica classica lo stato di
un sistema fisico è ben determinato
una volta noti i valori che le
variabili dinamiche assumono
istante per istante.
In MQ lo stato è descritto dalla
funzione d'onda e può essere
scritto come la sovrapposizione di
più stati. Nello stesso istante il
valore di una variabile dinamica
potrà assumere valori diversi.
sovrapposizione
o
 0  1
23
L'entanglement
Particolari
sovrapposizioni
per sistemi a due o più
particelle danno luogo a stati
entangled.
In tali stati lo stato della
singola particella è legato allo
stato dell’altra da correlazioni
quantistiche.
entanglement
o
Einstein‫“‏‬Una‫‏‬sinistra‫‏‬azione‫‏‬a‫‏‬distanza”
24
Il qu-bit (quantum bit)
L'unità
|0 + |1
fondamentale per la
computazione classica il “bit”
assume valore 0 oppure 1
Grazie al principio di
sovrapposizione nel caso
quantistico l'unità fondamentale
assume sia il valore 0 che il valore 1
fino a che non viene interrogata da |0 + |1
una misura.
|1
|0
|0
o
|1
?
25
Dal
La misura in MQ
punto di vista classico è
possibile determinare lo stato di
un sistema fisico con precisione
assoluta.
In MQ il principio
d’indeterminazione di Heisenberg
pone un limite alla precisione con
cui è possibile conoscere lo stato
fisico di un sistema.
Il processo di misura “perturba”
il sistema fisico provocando il
collasso della funzione d’onda A
valle del processo di misura il
sistema “collassa” in un autostato
dell'osservabile misurato.
26
Il teorema del no-clonig

E’ impossibile
clonare uno stato
quantistico “ignoto”.
Garantisce la sicurezza
della crittografia
quantistica
Non è possibile fare il backup
degli stati utilizzati per la
computazione. Né è possibile
copiare la memoria di un
computer quantistico.
Wootters, Zurek, and Dieks 1982
27
I criteri di Di Vincenzo (1995)‫‏‬
Scalabilità (miniaturizzazione)
1.

Deve essere possibile incrementare “arbitrariamente” il numero di qu-bit
coinvolti senza aumentare le dimensioni fisiche del sistema.
Inizializzazione
2.

Lo stato iniziale deve poter essere impostato arbitrariamente
Velocità
3.

La velocità di operazione deve essere tale da superare il limite della
decoerenza
Universalità
4.

Il set di porte logiche deve contenere al meno una porta di Toffoli, una
porta XOR ed una NOT (set universale di porte quantistiche)‫‏‬
Semplicità di accesso
5.

L’accesso alle informazioni deve essere semplice e deterministico
28
I sistemi di crittograifa
29
Ioni intrappolati
•Gli ioni sono confinati usando trappole elettro-magnetiche.
•I qubit sono realizzati sugli stati elettronici degli ioni.
•Le informazioni (quantistiche) sono trasmesse e manipolate utilizzando i
moti vibrazionali collettivi della catena di ioni.
•La dinamica è controllata mediante l'interazione dei singoli ioni con fasci
laser.
•Gli ioni intrappolati hanno tempi di decoerenza abbastanza lunghi.
•La scalabilità è legata alla miniaturizzazione delle trappole.
•Si stanno realizzando trappole su chip (con lacune decine di ioni
intrapolati).
30
Il primo quantum computer

www.dwavesys.com
November 12, 2007
World’s First 28-qubit Quantum Computer
Demonstrated Online at Supercomputing
2007 Conference
31
Riepilogo
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# 1 Spectroscopy
# 2 Lunar laser ranging
# 3 Material processing
# 4 Photochemistry
# 5 Laser cooling
# 6 Nuclear fusion
# 7 Microscopy
# 8 Military
# 9 Medical
# 10 Industrial and commercial
Applicazioni mediche
Chirurgia estetica
 Oculistica
 Chirurgia dei tessuti molli
 Bisturi laser
 Terapia Laser (reumatismi, artriti, artrosi)
 Chirurgia "No-Touch“
 Trattamenti odontoiatrici
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Applicazioni industriali
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Taglio, hardening di metalli ed altri materiali, saldature …
Sistemi di guida (e.g., ring laser gyroscopes)
Microposizionamento (misura accurata di distanze)
LIDAR / monitoraggio ambientale
Stampa / Incisioni /Litografie
Codici a Barre
Laser pointer
Holografia
Comunicazioni Ottiche
3D laser scanners
Livelle Laser (in edilizia)
Incisione di stampati in elettronica
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