(sito in costruzione..)
Ferdinando De Tomasi
Ricercatore Universitario
Ferdinando.DeTomasi@le.infn.it
tel +39 0832 297496
fax +39 0832 297505
Corso sul LIDAR (in preparazione)
(Gennaio 2003)
Dati anagrafici:
cognome e nome: de TOMASI, Ferdinando
luogo e data di nascita: Gallipoli (LE), 23/11/1962
Fax 0832 297505
e-mail Ferdinando.DeTomasi@le.infn.it
Titoli di studio
Laurea in Fisica , Università di Pisa, 16 Giugno 1988. Votazione 107/110
Dottorato di ricerca in Fisica, V ciclo, 28 Settembre
1993
Profilo professionale
Fisico sperimentale, specialista di fisica atomica, fisica dei laser, LIDAR
Curriculum schematico
Ottobre 1988 – Dicembre 1989: servizio militare dettagli
Marzo 1998 - Dicembre 1998 ricercatore associato presso l’Institut Non Linéaire de Nice, Nizza (Francia) dettagli
Riassunto dell'attività scientifica
Descrizione dettagliata delle attività di ricerca
Descrizione dell'attività didattica.
Durante il corso di laurea in fisica ho scelto come corsi complementari
Fisica Superiore, Spettroscopia, Fisica dello Stato Solido e Fisica Teorica,
indirizzandomi così verso la fisica della materia e in particolare
verso l’interazione luce-materia, cercando di avere al tempo stesso una
solida formazione teorica che mi permettesse di mantenere una visione globale
della fisica e affrontare con sicurezza nuovi problemi.
Le mie differenti attività di sperimentatore mi hanno permesso di
sviluppare un’esperienza considerevole nelle diverse tecnologie che costituiscono
la base dell’equipaggiamento di un laboratorio di fisica atomica e fisica
dei laser. Ho inoltre acquisito la competenza necessaria per potere
dialogare al meglio con il personale tecnico dei diversi laboratori
in cui ho lavorato e per avere una certa autonomia nell’acquisizione di strumentazione
commerciale e nella concezione e realizzazione della strumentazione ausiliaria.
Ecco quindi una lista delle mie competenze pratiche.
Ottica: uso e assemblaggio di componenti ottiche passive (lenti, specchi, fibre ottiche, lame di fase, polarizzatori, etc..), progetto e realizzazione dei sistemi meccanici necessari, progetto e realizzazione di montaggi ottici elaborati (dispositivi optoelettronici, cavità, ottiche di raccolta per telescopi etc..).
Laser e spettroscopia: ho utilizzato diversi tipi di laser
(laser a CO2 a bassa potenza, laser a diodo, laser Ti:Sa, Nd:YAG, Ar, laser
a coloranti, laser a eccimeri). In alcuni casi si è trattato di laser
costruiti e sviluppati in laboratorio di cui conosco bene le tecniche di costruzione
e ottimizzazione. Nel caso dei diodi laser ho costruito io stesso differenti
tipi di montaggi ( diodi laser su cavità esterna, diodi laser iniettati).
Ho utilizzato diverse tecniche di stabilizzazione in frequenza di
laser o di cavità risonanti (sia asservimenti di tipo puramente ottico,
come la tecnica Hansch-Chouillad o per modulazione-demodulazione del segnale
di errore) e ho avuto occasione di realizzare e sviluppare sistemi di questo
tipo. Ho avuto inoltre occasione di utilizzare tecniche di duplicazione
di frequenza sia per laser impulsati che per laser continui. Ho esperienza
delle principali tecniche di spettroscopia lineare (assorbimento, fluorescenza)
e non lineare (saturazione,due fotoni) e della strumentazione collegata (monocromatori,
lambda-metri, cavità Fabry Perot, fotodiodi e fotomoltiplicatori).
In alcuni degli degli esperimenti che ho seguito è stato necessario
rivelare dei segnali molto deboli per cui sono un esperto di rivelazione
in fase e conteggio di fotoni.
Ho utilizzato fasci atomici (idrogeno e Neon metastabile) e
trappole magneto-ottiche per il raffreddamento laser di atomi
(Cesio e Rubidio).
Vuoto: Ho utilizzato diverse tecniche di pompaggio (pompe rotative, a diffusione, ioniche) e conosco l’equipaggiamento necessario per realizzare sistemi per vuoto primario, alto vuoto e ultra-alto vuoto. Le applicazioni di queste tecniche sono state i fasci atomici, i laser a gas e le trappole magneto-ottiche per atomi.
Elettronica: utilizzazione di sistemi analogici e digitali commerciali o costruiti in laboratorio. Ho progettato e realizzato circuiti elettronici di base (fotodiodi amplificati, filtri, oscillatori a radiofrequenza) e ne ho utilizzato di più complicati, come l’elettronica di controllo dei diodi laser (alimentazione a basso rumore, stabilizzazione in temperatura, rivelazione in fase). In alcuni casi si sono rese necessarie la comprensione e la conoscenza dettagliata di questi sistemi per potere realizzare delle modifiche specifiche o delle riparazioni. Inoltre ho utlizzato diversi sistemi commerciali più o meno sofisticati (oscilloscopi analogici o digitali, analizzatori di spettro, contatori, amplificatori lock-in, alimentatori ed elettronica ad alta tensione, oscillatori ed amplificatori ad alta frequenza, sistemi optoelettronici come modulatori acusto-ottici ed elettro-ottici).
Informatica: padronanza dei principali linguaggi di programmazione ad alto livello (Basic, Fortran90,C++) per il calcolo scientifico e il controllo degli apparati sperimentali e l'acquisizione dati. Uso dei principali sistemi operativi (Windows, Macintosh, Linux e Unix). Esperienza avanzata di calcolo e analisi dati attraverso il programma “Igor” (Wavemetrics). Interfacciamento della strumentazione attraverso lo standard GPIB e LabView
Meccanica: ho una conoscenza di base del disegno tecnico e dell’equipaggiamento base di officina (trapano, fresa, tornio), il che mi ha permesso di potere concepire e realizzare, quando necessario, i pezzi meccanici necessari per la realizzazione di alcuni esperimenti.
Modellizazione e calcolo numerico: Per tutti gli esperimenti
a cui ho partecipato ho sviluppato dei modelli ed eseguito delle simulazioni
numeriche, in particolare per la dinamica di laser a CO2 e laser a diodo,
interazione di laser con vapori atomici in presenza di collisioni e
diffusione multipla, per l’evoluzione quantistica di sistemi di atomi di Rydberg
“congelati” e per l’interpretazione di segnali LIDAR.
Studi
Durante il corso di Laurea in Fisica ho seguito come corsi complementari
Fisica Superiore, Spettroscopia, Fisica dello Stato Solido, Fisica Teorica,
indirizzandomi così verso la fisica della materia e in particolare
verso la fisica dei laser e l'interazione radiazione-materia.
Ho iniziato la tesi di Laurea alla
fine del 1986 nel gruppo di ricerca diretto dal prof. Ennio Arimondo. Il
soggetto della tesi è stato lo studio sperimentale e teorico
delle instabilità presenti in un laser a CO2 con assorbitore saturabile.
In questo lavoro ho messo in evidenza dal punto di vista sperimentale i regimi
instabili periodici e caotici del sistema, che ho poi riprodotto attraverso
uno studio analitico e numerico basato su di un modello a equazioni di rate.
[Ref. a1),a2),a3),a4),b1),b2)]
Dottorato di ricerca
Svolto il servizio militare, dopo avere vinto il concorso di ammissione
al corso di Dottorato di Ricerca dell’Università di Pisa, ho
ripreso a lavorare nel gruppo del prof. Arimondo, occupandomi prevalentemente
di dinamica non lineare di laser a diodo in cavità esterna
e delle applicazioni dei diodi laser alla fisica atomica, sia da un punto
di vista teorico che sperimentale.
Nell'anno 1993 sono stato assegnatario di una borsa di studio del Consorzio
INFM per il proseguimento dell'attività di ricerca iniziata durante
il dottorato. Le linee di ricerca che ho sviluppato in questo periodo
sono state le seguenti:
1) studio delle instabilità di diodi laser sottoposti a feedback
ottico da un riflettore distante (a6,b4,b5);link
2) studio dell' eccitazione fuori risonanza di vapori di atomi alcalini
in presenza di gas tampone (a5,a7,b3);link ; articolo PDF
3) misura di sezioni d'urto di collisione in vapori di atomi eccitati da
laser; in particolare uno dei processi studiati è
l'"energy pooling" in vapori di Cesio (a8,a10,a12,b6) . link ; articoli PDF (Phys. Rev. A 1996, J.
of Physics A 1997)
Attualmente mi trovo quindi in possesso di una buona esperienza delle
tecniche sperimentali utilizzate in fisica atomica e in fisica
dei laser e delle problematiche teoriche inerenti; di tutti gli esperimenti
che ho svolto ho sviluppato i modelli teorici necessari alla loro comprensione.
Post-doc
a) Nella posizione di borsista presso il laboratorio Kastler-Brossel (1994-1995) nel gruppo diretto da Francois Biraben e Lucile Julien ho collaborato ad una misura ad alta risoluzione del Lamb shift nello stato fondamentale dell' atomo di Idrogeno, che ha dato un risultato di un'incertezza di 5.6 parti in 106, ancora il piu' accurato al momento (a9,a11,b7,b8). In questo periodo ho acquisito familiarità con le tecniche di asservimento di laser su cavità esterne e su riferimenti atomici, con le tecniche di duplicazione di frequenza e di conteggio di fotoni, e con le problematiche inerenti i fasci atomici. articoli PDF (PRL 1996)
b) A partire dall'Aprile 1995 mi sono spostato presso il gruppo di Interferometria e Ottica atomica del Laboratoire de Physique des Laser dell ' Université Paris-Nord, dove ho partecipato ad un esperimento di riflessione e diffrazione di un fascio di atomi di Neon metastabile da un'onda evanescente. In questo esperimento ho avuto la totale responsabilità di sviluppare, partendo da "zero", un sistema laser basato su laser a semiconduttore (da sostituire a quello impiegato precedentemente basato su laser a colorante) al fine di migliorare la stabilità e riproducibilità dell'esperimento e di potere utilizzare facilmente diversi laser indipendenti. Questo sistema è attualmente applicato per un nuovo esperimento di interferometria atomica basato sull'interazione di un atomo con il campo evanescente di una fibra ottica. (a13)
c) Dal Settembre 1996 al Febbraio 1998 ho svolto attività di ricerca al Laboratoire Aime Cotton, nel gruppo diretto da Pierre Pillet. Qui ho ripreso degli studi sperimentali sul tema delle collisioni atomiche nel Cesio, nella configurazione di atomi raffreddati in una trappola magneto ottica. L'originalità di questa situazione sta nel fatto che gli atomi praticamente non si muovono durante il tempo di interazione; abbiamo messo sperimentalmente in evidenza in questo sistema un comportamento di tipo collettivo e abbiamo sviluppato i modelli teorici per l'interpretazione di questi effetti (a14,a15, c19,c20) articoli PDF(PRL 1998)
d) All’Institut Non Lineaire de Nice, dove ho avuto un contratto di ricerca finanziato dal CNRS fino alla fine del 1998, ho partecipato a degli esperimenti su atomi freddi in cui si vogliono studiare proprietà di trasporto di onde in mezzi disordinati. Queste onde possono essere onde luminose, e in questo caso il mezzo e’ costituito da atomi raffreddati , o onde atomiche, e in questo caso il « mezzo » è il potenziale a cui gli atomi sono sottoposti quando si muovono in una figura di interferenza aleatoria generata da un laser (speckle). Sono attesi degli effetti interessanti quando si è in regime di diffusione multipla e le interferenze tra le onde secondarie diffuse non possono essere trascurate. In particolare, abbiamo recentemente osservato, per la prima volta su un campione atomico, l’effetto di retrodiffusione coerente (a17, c23 ) che consiste in un’esaltazione dell’intensità della radiazione diffusa a 180°. articoli PDF (PRL 1999)
e) Ottenuta una borsa “di ritorno” dalla Commissione Europea, da Gennaio 1999 sono al Dipartimento di Fisica dell’Università di Lecce dove ho avuto la responsabilità della messa a punto di un sistema LIDAR basato su di un laser a eccimeri (KrF) operante a 248 nm (nella regione di assorbimento della radiazione solare da parte dell’ozono, per cui sono possibili misure durante le ore diurne), per la misura dell’ umidità, della concentrazione di ozono troposferico, e la rivelazione di sostanze inquinanti. Alcuni risultati preliminari di questo esperimento sono stati presentati a conferenze internazionali(c24,c25,c26,b11) e pubblicati su riviste (a18, a20, a21). Abbiamo inoltre sviluppato un nuovo metodo di analisi dei dati in questa particolare regione spettrale (a19). Partecipo inoltre alle altre attività del gruppo diretto da Maria Rita Perrone sulla dinamica del laser a eccimeri (b10) e il trattamento laser di materiali (a16). Recentemente il sistema LIDAR è stato modificato cambiando la lunghezza d’onda del laser da 248 nm a 351 nm (utilizzando la molecola XeF come mezzo attivo) per lo studio degli aerosol atmosferici nel quadro del progetto europeo EARLINET.
Novembre 1986 – Giugno 1988: tesi di laurea in Fisica
Ufficiale di Marina di complemento presso l’Accademia Navale di Livorno,
Gruppo Insegnamento Artiglieria.
Attività didattica e di consulenza scientifica
Titolare di una borsa triennale del Ministero dell’Università e
della Ricerca Scientifica e Tecnologica.
Attività sperimentale: studio di instabilità di laser a diodo
sottoposti a controreazione ottica; osservazione di forme di riga anomale
in vapori di Cesio irradiati con un laser a diodo. Dettagli
Attività teorica: modelli di sistemi atomici in interazione
con la luce; calcolo numerico dell’evoluzione dinamica di un diodo laser
sottoposto a controreazione ottica. Dettagli
Inquadramento di due studenti in tesi di laurea.
Proseguimento delle attività svolte durante la tesi di dottorato.
Studio sperimentale e teorico di processi di collisione atomica. Dettagli
Attività di insegnamento in Fisica Generale.
Partecipazione ad un esperimento di spettroscopia ad alta risoluzione
sull’atomo di idrogeno avente come scopo la misura del Lamb shift dello stato
fondamentale. Dettagli
Partecipazione ad un esperimento di deflessione di un fascio atomico di
Neon metastabile con un onda luminosa evanescente; realizzazione di un sistema
di diodi laser stabilizzati in frequenza. Dettagli
Responsabile degli acquisti.
Responsabile di uno stage di tre mesi di uno studente per ottenere
la “Licence en Physique”
Partecipazione all’inquadramento delle attività di una dottoranda.
Settembre 1996 – Febbraio 1998 borsa di studio post-doc presso il Laboratoire Aimé-Cotton , Orsay (Francia)
Partecipazione ad un esperimento di collisioni tra atomi di Cesio raffreddati con tecniche laser. Sviluppo di modelli teorici per l’interpretazione dei risultati dell’esperimento. Partecipazione alla formazione di un dottorando. Dettagli
Marzo 1998- Dicembre 1998 ricercatore associato presso l’Institut Non Linéaire de Nice, Nizza (Francia)
Partecipazione alla realizzazione di diversi esperimenti di retrodiffusione coerente di luce da parte di vapori atomici. Dettagli Realizzazione dei differenti sistemi laser necessari agli esperimenti. Inquadramento di uno studente in stage trimestrale per conseguire il diploma dell’Ecole Superieure d’Optique
Gennaio 1999 - attività di ricerca presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Lecce
Realizzazione di un sistema lidar "solar blind" operante nell’UV. Dettagli
Misure lidar lidar di aerosol troposferici. Dettagli
Partecipazione ad esperimenti di dinamica dei laser a eccimeri, ottica non
lineare e trattamento laser di film sottili. Dettagli
Titolare di una borsa di studio “Marie Curie”, categoria “R” del programma
TMR della Commissione Europea (contratto n. ). Vincitore di un concorso
per un posto di ricercatore INFM a tempo determinato (Luglio 2000, bando
n. ).
Vincitore di un concorso per ricercatore universitario.
Instabilità in laser a CO2 con un assorbitore saturabile.
La configurazione di laser con un assorbitore saturabile (LSA) è
stata utilizzata a lungo per la sincronizzazione dei modi, la spettroscopia
ad alta risoluzione dell’assorbitore o la stabilizzazione in frequenza dei
laser. D’altra parte questo tipo di laser presenta dei comportamenti non lineari
come la bistabilità ottica o un’emissione impulsata. Diventa quindi
interessante comprendere l’origine di queste instabilità. Poiché
differenti regimi di instabilità possono essere identificati, il nostro
lavoro ha avuto come scopo quello di studiare sperimentalmente questo regime
non lineare in funzione dei differenti parametri di controllo del laser e
interpretarli attraverso un modello teorico. I regimi di funzionamento sono
quindi stati analizzati sistematicamente. Lo spazio delle fasi del sistema
è stato ricostruito a partire dalla sola variabile accessibile, cioè
l’intensità del laser, identificando i punti stazionari che determinano
la dinamica del laser e i differenti regimi caotici. Questi regimi sono ottenuti
per cascata subarmonica a partire da un regime periodico, utilizzando la corrente
della scarica come parametro di controllo [a1]. Si è fatta una classificazione
dei regimi periodici e caotici e abbiamo osservato una bistabilità
generalizzata , cioè la coesistenza di regimi dinamici diversi per
gli stessi valori dei parametri di controllo [b1]. Un modello teorico
(analisi della stabilità lineare e simulazioni numeriche) permette
di interpretare i risultati ottenuti come una manifestazione della dinamica
determinista del sistema [a2,a3]. La presenza continua del rumore nel laser
si manifesta come una piccola fluttuazione del periodo di pulsazione o come
un’esitazione tra regimi differenti. Per studiare questo effetto abbiamo
aggiunto un rumore controllabile alla corrente di scarica e misurato l’evoluzione
della distribuzione dei tempi di ritorno del sistema in funzione dell’ampiezza
del rumore; da questo si può dedurre la percentuale di rumore sul
pompaggio. Una simulazione delle equazioni dinamiche con un termine
di rumore aggiunto dà dei risultati che sono in buon accordo con l’esperienza.
Abbiamo inoltre affrontato, da un punto di vista teorico, un altro aspetto
della dinamica del LSA. Si tratta dello studio del modello senza l’ipotesi
della eliminazione adiabatica della polarizzazione nell’assorbitore [b2].
In effetti, l’eliminazione adiabatica delle polarizzazioni è sempre
giustificata nel mezzo amplificatore a causa del rate di collisioni grande,
ma non necessariamente nell’assorbitore perché la sua pressione può
essere relativamente bassa. Le simulazioni numeriche, con parametri corrispondenti
a delle condizioni realizzabili, danno dei risultati che sono completamente
diversi da quelli ottenuti nell’ipotesi di eliminazione adiabatica.
Instabilità di diodi laser sottoposti a una controreazione ottica.
I diodi laser hanno un’importanza capitale sia per le applicazioni
tecnologiche che per la fisica fondamentale. Una configurazione che è
stata molto studiata è quella di un diodo in cavità esterna:
una parte della luce emessa è retroriflessa, per esempio da uno specchio,
e si riaccoppia al diodo. Se si ottiene un’emissione stabile, la larghezza
di riga del laser viene a essere ridotta a causa dell’aumento del volume effettivo
della cavità. In generale è però molto facile
ottenere un’emissione instabile. Queste instabilità sono state
oggetto di molti studi a partire dagli anni 70, e in effetti ora sappiamo
che possono essere dovute a caos deterministico che si instaura nel sistema.
La dimensionalità del sistema è a priori infinita poiché
l’evoluzione dipende dalla distribuzione del campo elettrico su di un intervallo
di tempo t pari al tempo di andata e ritorno della luce nella cavità
esterna. Il comportamento dinamico del sistema dipende dalla quantità
di luce che è reiniettata nel diodo. Noi ci siamo concentrati sulle
instabilità osservate a dei valori di controreazione abbastanza
grandi, dell’ordine del 10%. A questi valori di controreazione e per
dei valori di corrente di pompaggio prossimi alla soglia del diodo libero,
si osservano delle cadute dell’intensità molto rapide, seguite da un
ristabilimento dell’intensità iniziale in un tempo che è dell’ordine
di 10 t. La distanza temporale T tra queste cadute è aleatoria. Poiché
la frequenza media di queste cadute è molto piccola rispetto alle
frequenze caratteristiche del sistema, vengono chiamata fluttuazioni di bassa
frequenza (LFF). L’origine di queste instabilità non era chiara e
si possono trovare in letteratura molte spiegazioni differenti. Siano stati
quindi motivati a iniziare uno studio per chiarire l’origine di questo fenomeno.
Si è quindi realizzato un diodo laser in cavità esterna
e un sistema di rivelazione e acquisizione di dati. La difficoltà
principale di questo studio è dovuta al fatto che esistono diverse
scale di tempo significative. La scala più rapida è determinata
dalle oscillazioni di rilassamento del diodo libero (qualche GHz). Per potere
studiare direttamente la dinamica del diodo sarebbe stato necessario un sistema
di rivelazione e acquisizione ai limiti delle possibilità tecnologiche
dell’epoca (anche dell’attuale). Abbiamo dunque cercato di estrarre delle
informazioni a partire dalla distribuzione statistica degli intervalli di
tempo T, che al contrario possono essere misurati con relativa facilità.
In una prima misura [b4] abbiamo confermato i risultati ottenuti da altri
gruppi sulla possibilità di descrivere la distribuzione statistica
dei tempi T con una legge di intermittenza di tipo II; abbiamo tuttavia
notato delle deviazioni a questa legge quando ci si avvicina alla soglia
in corrente per l’apparizione delle fluttuazioni. Abbiamo dunque migliorato
il nostro apparato sperimentale per potere estendere la misura al caso in
cui il tempo T diviene molto grande. Questo ci ha permesso di stabilire che
l’ipotesi dell’intermittenza non è realizzata che per dei casi particolari.
D’altra parte abbiamo potuto identificare due regimi di fluttuazione probabilmente
legati a origini dinamiche differenti per le LFF. La distribuzione statistica
dei tempi T per certi valori dei parametri sperimentali presenta un
doppio picco la cui origine resta finora non spiegata.
Un’altra informazione che si può ottenere sulla dinamica del sistema
è data dalla sua funzione di correlazione. Abbiamo svolto una misura
indiretta della funzione di correlazione studiando l’asimmetria dell’emissione
ottica dalle due facce del diodo [a6]. Nel caso di emissione dalla faccia
avanti la pendenza della curva intensità –corrente è più
piccola di quella osservata dall’altra. Inoltre abbiamo osservato per
la prima volta che le LFF si presentano come un aumento dell’intensità.
Tutto questo si può spiegare per un effetto di coerenza del campo elettrico
ai tempi (t, t+ t). abbiamo così potuto dimostrare sperimentalmente
che che le fluttuazioni di bassa frequenza sono una perturbazione di uno stato
di coerenza luminosa seguiti da una transizione a uno stato decorrelato. Questi
comportamenti sono stati confermati con delle simulazioni numeriche. Poiché
si possono riprodurre i comportamenti osservati sperimentalmente con delle
equazioni di rate senza termini di rumore aggiunti, siamo portati a pensare
che il moto del sistema si svolga su un attrattore caotico.
Modifica delle forme di riga in vapori alcalini eccitati da laser
Parallelamente allo studio delle instabilità dei diodi laser
, nella prospettiva di studiare degli effetti di instabilità spaziali
e di applicazioni al raffreddamento laser, abbiamo cominciato a sviluppare
dei diodi laser alla frequenza della riga D2 dell’atomo di Cesio (852 nm).
Questa riga, quando osservata in spettroscopia lineare, presenta due picchi
corrispondenti ai due livelli iperfini dello stato fondamentale, separati
di 9.19 GHz. La larghezza Doppler di ogni picco è di 300 MHz. L’uso
di un laser accordabile con continuità su questo intervallo di frequenza
ci ha permesso di scoprire un effetto inatteso [a5]: se una piccola quantità
di gas tampone (qualche Torr di Neon nel nostro caso) viene aggiunta al vapore
di Cesio , i due picchi si fondono in uno solo centrato tra i due picchi originali.
Occorre notare che l’allargamento collisionale resta molto piccolo rispetto
alla larghezza Doppler Dn e che il massimo della risonanza è ottenuto
a una frequenza che è separata di 15 Dn rispetto ai picchi originali.
Questo effetto si spiega con un modello a equazioni di rate in cui si tiene conto dell’interazione simultanea del laser con le due transizioni, del pompaggio ottico iperfine e dell’aumento del tempo di interazione del laser con gli atomi a causa delle collisioni con il gas tampone.
Nel quadro della collaborazione con L. Windholz dell’Università di Graz (Austria) abbiamo utilizzato questo modello per spiegare gli spettri del vapore di Sodio ad alta densità ottenuti qualche anno prima e non pubblicati in assenza di un modello teorico soddisfacente.
articoli PDF : a5 (Phys Rev A, 1993)
Misura di sezioni d’urto di collisioni tra atomi di Cesio eccitati
Abbiamo approfittato dell’esperienza ottenuta con i diodi laser
sulla riga D2 del Cesio e dell’esperienza già esistente nel gruppo
sulle collisioni atomiche per fare una misura della sezione d’urto di collisione
per il processo 6PJ + 6PJ -> 6S + (nL)J. Si tratta di una collisione tra
due atomi nello stato 6PJ in cui uno degli atomi torna allo stato fondamentale
mentre l’altro acquista dell’energia (“energy pooling”). Questo processo costituisce
uno dei processi di perdita all’interno delle trappole magneto-ottiche. Il
principio dell’esperimento è di misurare il rapporto tra la fluorescenza
degli atomi eccitati dal laser e quella degli atomi eccitati collisionalmente.
Se la densità di popolazione nello stato 6PJ è nota e si sa
stimare l’effetto di intrappolamento della radiazione , la misura di questo
rapporto permette di ottenere il valore della sezione d’urto del processo.
Queste due quantità sono legate tra loro e la loro stima è delicata.
Questa misura è stata effettuata in collaborazione con John Huennekens
della Lehigh University, Pennsylavania. Nell’esperimento fatto a Pisa
l’effetto di intrappolamento della radiazione è stato ridotto utilizzando
una cella capillare; è stato tuttavia necessario sviluppare un modello
teorico per valutare quest’effetto e potere calcolare la popolazione nello
stato eccitato. I risultati ottenuti a Pisa [a9,a12] sono in buon accordo
con quelli ottenuti a Lehigh [a10].
articoli PDF : a10, (Phys. Rev. A 1996 ), a12,
( J. of Physics A 1997)
Misura del Lamb Shift nello stato fondamentale dell’Idrogeno.
Questa misura è stata effettuata durante il mio periodo postdottorato
nel gruppo di Francois Biraben al Laboratoire Kastler-Brossel della Scuola
Normale Superiore di Parigi. Questa esperienza è stata per me molto
preziosa sia perché mi ha permesso di familiarizzarmi con diverse tecniche
di fisica atomica, fisica dei laser e ottica non lineare che perché
mi ha permesso di acquisire la mentalità tipica degli esperimenti a
precisione spinta, in cui ogni dettaglio deve essere compreso perché
tutti contribuiscono al risultato finale.
La misura del Lamb shift consiste a misurare lo scarto che esiste
tra la frequenza di transizione a due fotoni 1S-3S (102.5 nm) e quattro
volte la frequenza della transizione 2S-6S (410 nm). Per questo si
usa un laser Ti:Sa quadruplicato in frequenza con due cristalli
non lineari, ognuno piazzato in una cavità di esaltazione. Il mio
lavoro è consistito principalmente nell’ottimizzare il rapporto
segnale rumore della transizione 1S-3S. In effetti, la rivelazione di questa
transizione è la parte più delicata dell’esperimento per due
ragioni. Innanzitutto, poiché l’efficienza di raddoppiamento di frequenza
nel secondo cristallo è molto piccola, la potenza disponibile per
l’eccitazione della transizione è molto piccola. In secondo luogo,
questa potenza è disponibile solo per un tempo limitato, inferiore
al tempo necessario per avere una statistica sufficiente. Siamo riusciti
a ridurre al meglio le sorgenti di rumore provenienti dal fascio atomico,
ad aumentare l’efficienza di rivelazione dei fotoni emessi per fluorescenza
e ad aumentare la potenza ottica disponibile a 205 nm. Questo ha permesso
di ottenere la misura a tutt’oggi più precisa del Lamb shift (incertezza
relativa di 5.6 parti in 106)
articoli PDF : a9 (PRL 1996)
Riflessione e diffrazione di atomi metastabili
da un’onda laser evanescente.
Questo lavoro è stato effettuato durante il mio soggiorno al
Laboratoire des Physique des Lasers (università Paris XIII).
La mia partecipazione agli esperimenti condotti da questo gruppo è
consistita nella presa in carica totale della realizzazione di sorgenti
laser a semiconduttore accordabili sulle frequenze ottiche dell’Argon metastabile.
Lo scopo di questa operazione è stato quello di avere a disposizione
delle sorgenti laser versatili, di lunga durata e i cui costi di manutenzione
fossero considerevolmente ridotti rispetto al sistema laser ad Argon-laser
a colorante, precedentemente usato. Questo montaggio è stato
realizzato in un periodo effettivo di 8 mesi. Alla data della mia partenza,
l’apparato sperimentale consisteva in un sistema di due diodi laser in cavità
estesa, di cui uno stabilizzato su un riferimento atomico e l’altro stabilizzato
su di una frequenza spostata in maniera controllabile. Il riferimento atomico
è ottenuto per spettroscopia in saturazione su argon metastabile ottenuto
con una scarica a radiofrequenza. Lo spostamento in frequenza si fa
con una cavità Fabry Perot la cui lunghezza è stabilizzata
sulla riga atomica. Il secondo laser può essere spazzato in frequenza
(modulando in maniera sincrona la corrente di pompaggio e la lunghezza della
cavità esterna si possono ottenere diversi GHz di accordabilità
continua) oppure asservito su un picco di trasmissione del Fabry Perot.
Questo laser viene iniettato in un altro diodo laser a potenza elevata che
ne assume così le proprietà spettrali. Questo fascio può
quindi essere utilizzato per manipolazioni ottiche di un fascio di atomi
di Argon metastabili, sfruttando l’onda evanescente ottenuta per riflessione
totale in un prisma o l’onda evanescente di una fibra ottica. Questo caso
ha fatto l’oggetto di uno studio teorico di fattibilità [a13].
Interazione di atomi di Rydberg freddi
A partire da Settembre 96 mi sono spostato nel gruppo di Pierre
Pillet al Laboratoire Aimè Cotton (CNRS, Orsay) per partecipare ad
un esperimento sulle interazioni tra atomi di cesio preventivamente raffreddati
in una trappola magneto ottica e preparati in uno stato di Rydberg. L’uso
di un campo elettrico statico permette, per effetto Stark, di spostare i livelli
di energia ed ottenere quindi le condizioni di risonanza necessarie
per le collisioni di tipo nL+nL-> n’L’+ n’’L’’. L’interesse di questo tipo
di collisioni è che la situazione sperimentale è del tutto nuova
per un gas: poiché gli atomi sono fermi sulla scala di tempo dell’esperimento,
questo sistema somiglia più ad uno solido amorfo che ad un
vapore. Poiché un atomo interagisce con tutti i suoi vicini, sono
attesi degli effetti collettivi.
Il risultato principale di quest’esperimento è che la probabilità
di transizione è molto più grande di quella ottenuta se si
considerasse solo l’interazione per coppie. E’ stato sviluppato un modello
analitico basato sull’introduzione di due processi elementari: un atto elementare
a due atomi, iniziato dalle coppie di atomi più vicine (creazione
di coppie n’L’+n’’L’’) e un processo di diffusione dello stato finale dell’atomo
(per scambio dell’eccitazione n’L’+nL->nL+n’L’) che riproduce bene i risultati
sperimentali [a14]. Inoltre, ho eseguito delle simulazioni numeriche
basate sull’evoluzione quantistica di questo sistema per mettere in evidenza
questo processo di diffusione [a15]: attraverso la simulazione Montecarlo
del sistema costituito da un atomo in uno stato n’L’ circondato da atomi
nello stato nL è possibile calcolare la densità degli stati
di questo sistema complesso, che poi può essere utilizzata per il
calcolo analitico della probabilità di transizione n’L’->nL.
Un altro risultato interessante è l’osservazione di interazioni in
cui le risonanze coinvolte sono due [c19]; in questo caso l’interpretazione
più intuitiva è data dall’interazione a tre atomi, ma la probabilità
di avere 3 atomi nella trappola in una configurazione adatta a spiegare
i risultati sperimentali è praticamente nulla. Il problema resta teoricamente
aperto.
articoli PDF (PRL 1998)
Retrodiffusione coerente di luce.
Il quadro generale di questa attività è la propagazione
di onde in mezzi aleatori; a causa della diffusione multipla e dell’interferenza
tra le onde diffuse ci si attendono effetti interessanti e ancora poco noti
come la localizzazione dell’onda. Nel caso della luce, un effetto precursore
della localizzazione è la retrodiffusione coerente. Contrariamente
all’intuizione comune, che vuole che le interferenze tra le onde diffuse
siano mediate a causa della natura aleatoria del mezzo, esiste sempre un
effetto di interferenza costruttiva tra percorsi luminosi che sono
invertiti temporalmente. L’intensità della luce retrodiffusa è
dunque esaltata di un fattore 2 e la sua distribuzione angolare ha l’aspetto
di un cono. Questo effetto è stato osservato sperimentalmente
negli anni 80 su delle microsfere in sospensione e può essere osservato
facilmente su diversi mezzi diffusori. L’interesse di usare atomi freddi
come mezzo diffusore risiede nella possibilità di avere una sezione
di diffusione risonante, quindi di potere variare l’intensità
diffusa su diversi ordini di grandezza, e di introdurre un grado di libertà
supplementare controllando la polarizzazione atomica; inoltre, poiché
gli atomi sono identici, essi hanno le stesse proprietà diffusive,
il che rende a priori più semplice l’interpretazione dei risultati.
Inoltre diversi interrogativi sono aperti, per esempio se la natura quantistica
dell’interazione luce atomo gioca un ruolo, quale sia l’effetto della struttura
interna dell’atomo e dei campi esterni , o se l’emissione spontanea possa
distruggere completamente l’esaltazione della retrodiffusione.
E’ stato quindi intrapreso uno studio sperimentale della diffusione coerente
sia da parte di atomi di Rubidio raffreddati in una trappola magneto ottica
che da un vapore termico ad alta densità. Quest’ultimo caso è
a priori meno favorevole perché il moto atomico non è più
trascurabile, ma l’effetto della diffusione multipla può essere esaltato
da grandi spessori ottici; allo scopo ho costruito un forno che permettesse
di raggiungere alte densità di vapore di Rubidio, ma finora questo
tipo di configurazione non ha dato effetti di retrodiffusione coerente.
L’esperimento sugli atomi freddi ha dato invece un risultato positivo [a17].
Per ottenere questo risultato è stato fondamentale utilizzare una trappola
in regime impulsato, in modo da potere tagliare completamente la luce parassita
dei fasci laser che costituiscono la trappola. Per questo è stato
fondamentale sviluppare un sistema laser che fosse costituito da un
solo fascio ad alta potenza e che dunque potesse essere tagliato con facilità
attraverso un modulatore acusto ottico. Il sistema laser
è stato da me sviluppato partendo dal chip in commercio, realizzando
il sistema di iniezione di un laser stabilizzato a bassa potenza.
articoli PDF (PRL 1999)
Lidar Raman UV a 248 nm.
La tecnica LIDAR (LIght Detection And Ranging) consiste nel rivelare
la radiazione diffusa dall’atmosfera di un laser impulsato. Risolvendo temporalmente
il segnale rispetto all’istante di partenza dell’impulso laser è possibile
ottenere informazioni risolte spazialmente sui costituenti dell’atmosfera.
Il sistema lidar dell’Università di Lecce è stato realizzato
a partire da un laser a eccimeri KrF che emette a 248 nm. Ho curato
tutta la fase di messa a punto di questo sistema e le procedure per l’analisi
dei dati. La lunghezza d’onda è prossima al massimo
della banda di assorbimento dell’ozono, di conseguenza il fondo solare
risulta essere completamente trascurabile. Diventa allora possibile effettuare
delle misure con la tecnica Raman durante tutto il corso della giornata.
Il principio di questa tecnica consiste nel rivelare la componente Raman
vibrazionale delle molecole presenti in atmosfera: selezionando spettralmente
la radiazione raccolta si ottiene un segnale che dipende dalla concentrazione
di una determinata molecola. I segnali delle molecole la cui
percentuale in atmosfera è fissa (O2,N2) possono essere usati come
segnali di calibrazione per i segnali di molecole la cui concentrazione è
variabile, come il vapore acqueo. Inoltre essi possono essere usati
per avere una misura dell’estinzione totale.
Dal rapporto tra i segnali Raman di N2 e H2O si ottiene il rapporto di mescolamento
del vapore acqueo; occorre però tenere conto del fatto che le
due lunghezze d’onda sono estinte differentemente dall’atmosfera, principalmente
a causa dell’ozono. E’ necessario dunque determinare in qualche modo questo
fattore di trasmissività differenziale, il che è in pratica
equivalente a determinare la concentrazione di ozono. Inoltre l’estinzione
ha in media valori piuttosto alti: ne consegue che il range di altezza delle
misure è limitato a circa 1000 metri. Qualsiasi metodo che permette
di aumentare il rapporto segnale su rumore è quindi utile. Abbiamo
sviluppato un metodo di analisi che permette, sotto ipotesi ragionevoli, di
ridurre notevolmente l’errore statistico sul fattore di trasmissione differenziale
[a19]; nelle stesse ipotesi anche l’errore statistico sulla concentrazione
di ozono può essere ridotta [a20] rispetto ai metodi convenzionali.
La possibilità di fare misure di vapore acqueo anche durante le ore
diurne è stata utilizzata per confrontare l’evoluzione misurata nel
corso di 24 ore con quella del modello meteorologico RAMS, in collaborazione
con Paolo Martano dell’istituto CNR ISIATA, Lecce [a22].
Monitoraggio di aerosol atmosferici e vapore d’acqua a 351 nm
A partire da febbraio 2000 il nostro gruppo fa parte della rete europea
di monitoraggio di aerosol tramite tecniche lidar EARLINET. Lo scopo di questo
progetto è di stabilire una banca dati significativa su scala europea
per potere stabilire l’effetto degli aerosol atmosferici sul clima. La rete
è composta da 20 stazioni lidar sparse su tutto il territorio europeo
e si effettuano 3 misure di coefficiente di retrodiffusione e di estinzione
per settimana.. Per potere realizzare questo tipo di misure non si può
lavorare ad una lunghezza d’onda che possa essere assorbita dall’ozono o da
altre specie molecolari, per cui questa è stata cambiata da
248 nm a 351 nm utilizzando l’eccimero XeF come mezzo attivo. Di conseguenza
le misure diurne sono affette dal fondo solare. Attualmente il sistema è
in grado di acquisire solo segnali elastici durante le ore diurne, mentre
durante le ore notturne è possibile acquisire anche i segnali Raman
dell’azoto e del vapore acqueo. I miglioramenti previsti per l’immediato
futuro sono:
¨ l’acquisizione di filtri interferenziali al posto
dei monocromatori attualmente in uso per la selezione spettrale; questo permetterà
di aumentare l’efficienza di raccolta e quindi migliorare il rapporto segnale
rumore; l’acquisto successivo di filtri interferenziali a banda passante più
stretta permetterà di utilizzare i segnali Raman anche durante le
ore diurne.
¨ L’acquisizione di fotomoltiplicatori e transient
digitizer ottimizzati per i segnali lidar permetterà un aumento notevole
del rapporto segnale rumore e della velocità di acquisizione, con
un conseguente miglioramento della risoluzione temporale. L’analisi per correlazione
dei segnali elastici acquisiti in un tempo breve rispetto ai tempi tipici
di evoluzione atmosferica permetterà di effettuare profili del vento
in quota. Quest’ultimo aspetto diventa importante per la nostra partecipazione
al progetto regionale “Nowcasting” che è una collaborazione tra diversi
gruppi di ricerca impegnati nello sviluppo di un modello metereologico per
le previsioni a breve termine. La possibilità di potere fornire dei
profili di vento, temperatura e umidità è molto importante per
i test di convalida del modello.
Altre attività
L’altra attività principale del gruppo di Maria Rita Perrone
a cui collaboro è lo studio del danneggiamento laser di film sottili.
E’ questa un’attività di notevole rilevanza tecnologica e di grande
interesse scientifico per l’interdisciplinarità richiesta.
Nel gruppo è stata sviluppata una tecnica ottica che permette di
rivelare non solo l’inizio del danneggiamento ma anche il tipo di coinvolto.
Questa tecnica, combinata con altre analisi del materiale, permette quindi
di stabilire qual è l’origine del danneggiamento [a23,a24,b13]
Sono stati inoltre fatti degli studi sul trattamento laser di film di Solfuro
di Samario [a16]; questo è un materiale che ha l’interessante proprietà
di cambiare la sua resistenza con la pressione applicata. Mediante trattamento
con un laser a eccimeri è possibile cambiare le caratteristiche di
film di questo materiale, il che permette di accordare le caratteristiche
di un sensore basato su questo effetto.
Inoltre sono stati continuati alcuni aspetti del lavoro che è stato
fatto negli anni precedenti sulle caratteristiche dei laser a eccimeri. Uno
dei problemi nell’uso di questi laser è la cattiva qualità
del fascio: per migliorare questo aspetto sono state sviluppate cavità
risonanti non convenzionali, con specchi gaussiani o a fase unificata. Per
comprendere appieno il comportamento di questi laser occorre tenere conto
dell’interazione tra coerenza e evoluzione temporale del guadagno [b10];
la geometria della cavità ha anche un ruolo importante [a25].
Infine, poiché i laser a eccimeri non sono accordabili, diventa importante
potere contare su delle tecniche che permettano di variare la lunghezza d’onda
della radiazione prodotta. Questo si può ottenere tramite la conversione
Raman in mezzi molecolari, e questa possibilità può essere sfruttata
anche nelle nostre applicazioni LIDAR. Variando le proprietà
di polarizzazione della luce incidente è possibile ottimizzare la conversione
Raman vibrazionale e rotazionale [a21].
Attività didattica
Durante il servizio militare, svolto come ufficiale di complemento presso
l`Accademia Navale di Livorno, sono stato impiegato presso il Gruppo
Insegnamento Artiglieria, collaborando alla didattica per le applicazioni
della statistica e dell'optoelettronica; ho partecipato allla
campagna estiva di addestramento della seconda classe come insegnante di
Fisica 2 per gli allievi che dovevano sostenere l'esame nella
sessione autunnale.
Durante il corso di dottorato ho seguito l'attività
di tesi di due laureandi.
Nominato cultore della materia per "Fisica generale" nell'A.A 1992/93
ho svolto attività di esercitazioni in assistenza al corso di Fisica
II tenuto dal prof. Leone Fronzoni per il corso di Diploma in Ingegneria Elettronica,
Facoltà di Ingegneria, Università di Pisa, e ho fatto parte
della commisione d'esame.
Nella posizione al Laboratoire de Physique des
Lasers ho seguito l'attività di ricerca di una dottoranda e ho avuto
la responsabilità dell'inquadramento di uno studente del terzo
anno di fisica ("licence") che ha effettuato uno stage sperimentale
di 5 settimane presso il nostro gruppo .
Al laboratoire Aimé Cotton ho avuto
la responsabilità della formazione di uno studente all'inizio della
sua tesi di dottorato presso il nostro gruppo.
All’Institut Non Lineaire de Nice ho avuto la responsabilità
dello stage sperimentale di fine studi di uno studente dell’Ecole
Superieure d’Optique. In questo stage, della durata di tre mesi, sono
stati sviluppati dei laser a diodo in configurazione di cavità esterna
da applicare all’esperimento di retrodiffusione coerente su atomi freddi.
Durante la permanenza a Lecce sono stato correlatore
di 4 tesi di laurea e ho tenuto nel Febbraio 2000 un corso di 5 ore
sui principi di funzionamento e le applicazioni del Lidar per gli studenti
del corso di “Elettronica quantistica”.
Corso di Laurea in Fisica ( a.a 2001/2002 e 2002/2003)
Corso di Laurea in Matematica ( a.a 2001/2002 )
Una selezione di articoli in versione PDF:
(Phys Rev A, 1993)
(Phys.
Rev. A 1996 )
(J.
of Physics A 1997)
(PRL 1996)
(PRL 1998)
(PRL 1999)