Nicola Coluccelli ha conseguito la laurea in Ingegneria delle Telecomunicazioni con Lode, presso il Politecnico di Milano nel 2004, e il titolo di Dottore di Ricerca in Fisica presso la Scuola di Dottorato del Politecnico di Milano nel 2008. In seguito, ha ottenuto una posizione da Post Doc presso il Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, dove, a partire dal 2010, ha assunto il ruolo di ricercatore. Ha lavorato allo sviluppo della sorgente laser del sistema lidar satellitare ATLID dell'Agenzia Spaziale Europea. La sua attività di ricerca attuale riguarda lo sviluppo di sorgenti laser ed amplificatori a stato solido nel vicino e medio infrarosso per spettroscopia molecolare ad elevatissima risoluzione.

Laser ed amplificatori a stato solido nel vicino e medio infrarosso

Le sorgenti laser a stato solido con ampia sintonizzabilità della lunghezza d’onda di emissione hanno un ruolo fondamentale in tutti quei processi che coinvolgono l'interazione radiazione-materia. Trovano, quindi, naturale applicazione in svariati campi quali la fisica della materia, la biomedicina, il monitoraggio ambientale, la microscopia, le telecomunicazioni, e le misure di precisione.

Con specifico riferimento alle sorgenti e agli amplificatori ottici con emissione nel vicino e medio infrarosso (da 1 a 4 µm) le attività di ricerca condotte presso i laboratori “Laser a stato solido” e “Spettroscopia laser ad elevata risoluzione” comprendono sia lo sviluppo delle sorgenti che la loro applicazione alla spettroscopia molecolare ad elevata risoluzione, ai sistemi LIDAR (LIght Detection And Ranging), alla metrologia di frequenza e sensoristica. La presente attività si avvale di diverse collaborazioni con gruppi di ricerca presso Università e Istituti di Ricerca sia Internazionali che Nazionali.

Sviluppo di nuove sorgenti laser e di amplificatori ottici

L’attività consiste nella realizzazione di sorgenti a stato solido, a larga banda di emissione, basate su cristalli innovativi drogati con ioni trivalenti delle terre rare (per esempio erbio, tulio e olmio) o ioni di metalli di transizione (titanio e cromo) pompati otticamente con diodi laser o laser in fibra ottica. Lo scopo principale è lo sviluppo di sorgenti con elevata purezza spettrale (ridotti rumori di intensità e di frequenza), ampia accordabilità della lunghezza d’onda di emissione, e, nel caso di funzionamento in regime impulsato, larga banda di emissione e ridottissima durata temporale (femtosecondi). A tale scopo sono impiegate innovative tecniche per la stabilizzazione attiva della frequenza, della fase e dell’intensità della radiazione laser.

Fig. 1 - Laser a Nd:YAG, pompato da diodo laser, in Q-switching e stabilizzato in frequenza per un sistema LIDAR da satellite (programma ATLID-ESA)

Principali collaborazioni : W. Sibbett (University of St. Andrews), M. Tonelli (Università di Pisa), M. Haakestad (Norwegian Defence Research Establishment), A. Cosentino (Galileo-Selex Pomezia).

Applicazione delle sorgenti a stato solido

La regione spettrale che si estende nel vicino e medio infrarosso tra 1 a 4 µm riveste estremo interesse dal punto di vista spettroscopico per la presenza di forti assorbimenti dovuti alle bande rotovibrazionali fondamentali ed ai primi sovratoni di numerose specie molecolari. La disponibilità di sorgenti ad elevata purezza spettrale ed ampia banda di emissione consente di realizzare misure spettroscopiche con elevata risoluzione in una larga banda spettrale di osservazione. Le principali applicazioni sono rivolte alla spettroscopia molecolare in cavità ad elevata finesse, ai sistemi LIDAR, alla metrologia di frequenza e sensoristica di precisione, e alle telecomunicazioni. A tale scopo sono correntemente utilizzate le più moderne e sofisticate tecniche spettroscopiche per il controllo e la misura assoluta delle frequenze ottiche.

Fig. 2 - Apparato spettroscopico per la misura assoluta delle righe di assorbimento di CO2 a 2.09 µm tramite un pettine di frequenze ottiche amplificato

Principali collaborazioni : L. Gianfrani (Seconda Università di Napoli-Caserta), P. De Natale (Istituto Nazionale di Ottica - CNR, Firenze).

Supporto finanziario: le suddette attività di ricerca sono finanziate dal Governo Italiano (Progetti FIRB e PRIN), dal Consiglio Nazionale delle Ricerche (ELI-Italy), dalla Agenzia Spaziale Europea (Progetto "ATLID").

Spettroscopia molecolare mediante pettini di frequenze ottiche

Link video-presentazione dell'attività di ricerca

Tesi di dottorato di ricerca disponibili sull'argomento

Inventati dai gruppi di ricerca guidati T. Hansch e J. Hall (entrambi premi Nobel nel 2005) i pettini di frequenza ottici hanno rivoluzionato il campo della metrologia di frequenza, rendendo possibili misure assolute nell’intero intervallo di frequenze ottiche con un livello di accuratezza mai ottenuto in precedenza - dell’ordine di 1 parte in 1015 - essenzialmente limitato dagli attuali riferimenti primari di tempo (orologi atomici al Cesio). Alla radice di queste straordinarie proprietà sta il ben noto teorema di Fourier, che spiega come lo spettro di una qualunque forma d’onda periodica sia composto da frequenze discrete e perfettamente equispaziate. Nel caso dei pettini di frequenze ottiche la forma d’onda che produce siffatto spettro è il profilo di campo elettrico associato ad un treno periodico di impulsi laser, quale quello emesso da un laser in regime di mode-locking.

I pettini di frequenza sono stati ad oggi utilizzati con successo in svariati ambiti. Dal punto di vista scientifico sono state misurate frequenze di transizioni ottiche di atomi, ioni e molecole con livelli di incertezza inferiori a 10-14, più che sufficienti da un lato per validare modelli quanto-meccanici di predizione della loro struttura energetica, e dall’altro per effettuare test di relatività generale nonché di variazione di costanti fondamentali della fisica. In campi più applicativi hanno giocato e stanno giocando un ruolo importante nel campo delle comunicazioni ottiche, nei sistemi GPS di nuova generazione e come strumenti di analisi di miscele di gas in traccia.

L’attività di ricerca del gruppo si colloca nell’ambito della spettroscopia molecolare assistita da pettini di frequenza e si muove essenzialmente lungo tre direttrici, la prima di carattere tecnologico nel campo delle sorgenti laser, la seconda di carattere scientifico nel campo della fisica molecolare, la terza di taglio applicativo nel settore biomedicale.

Generazione di pettini di frequenza nel medio-infrarosso

La lunghezza d'onda di emissione delle sorgenti di pettini di frequenze ottiche disponibili oggi commercialmente ricade nell'intervallo spettrale del vicino infrarosso. E' attualmente in corso a livello internazionale un grande sforzo per estendere tale intervallo alla regione del medio-infrarosso. L'interesse è motivato dal fatto che le righe di assorbimento molecolare roto-vibrazionali più intense, quelle su cui si basa la possibilità di rivelarle ed identificarle anche in presenza di bassissime concentrazioni, si trovano nella regione del medio infrarosso. Il gruppo è stato il primo a sfruttare processi non lineari di generazione di frequenza differenza per la sintesi di pettini di frequenza accordabili nella regione dai 5 ai 12 µm, ed sta attualmente sviluppando, in collaborazione con la Vrije Universiteit di Amsterdam, un sintetizzatore di pettini di frequenza accordabile sull'intera regione di fingerprint ("impronta"), a partire dai 3 µm.

Collaborazioni : Vrije Universiteit, LaserLaB Amsterdam, Atomic, Molecular and Laser Physics group

Spettroscopia molecolare nel vicino e medio infrarosso assistita da pettini di frequenze ottiche

Pettini di frequenza nel vicino e medio-infrarosso vengono utilizzati da un lato per acquisire spettri di assorbimento molecolare con calibrazione assoluta della frequenza, e dall'altro come veri e propri righelli per contare la frequenza di laser in continua agganciati al centro di assorbimenti di molecole di rilevanza ambientale e medicale. In questo modo ricaviamo dati spettroscopici quali fattori d'intensità di riga, coefficienti di allargamento e spostamento pre pressione, nonché informazioni accurate sulla struttura dei livelli di energia delle molecole, utilizzabili sia per la comprensione della struttura energetica delle stesse che per migliorare l’accuratezza dei database oggi utilizzati per la rivelazione ed identificazione delle molecole su base spettroscopica. Recentemente, mediante l’utilizzo di cavità risonanti ad elevata finezza in grado di moltiplicare il cammino di assorbimento fino a diversi chilometri, ci stiamo muovendo verso lo studio di righe molecolari di bassa intensità, quali quelle di molecole omonucleari prive di momento di dipolo elettrico.

Collaborazioni:

• Dipartimentodi Scienze Ambientali, Seconda Università di Napoli (Italia)
• IMRA America, Inc. (USA)

Spettroscopia diretta con pettini di freqeunze ottiche per l'analisi quantitativa del respiro umano

Una terza direttrice di ricerca, di taglio più applicativo, è volta alla realizzazione di spettrometri capaci di rivelare specie molecolari multiple con copertura spettrale ampia, tempi di acquisizione brevi, ed elevata sensibilità. E’ una linea di ricerca di estremo interesse in diversi ambiti, primo fra tutti quello dell’analisi del respiro umano, che costituisce una potente prospettiva diagnostica, preventiva e non invasiva, di patologie di vario genere. In casi di questo genere l’uso di un singolo fascio laser in continua non è adeguato, poiché non consente né la rivelazione in parallelo di più composti molecolari né l’identificazione di molecole complesse con spettri di assorbimenti larghi e congestionati. D’altro canto i pettini di frequenza, per via della loro peculiare struttura spettrale - stabile, discreta e controllabile - possono essere accoppiati direttamente all’interno di cavità ottiche ad elevata finezza rendendo possibile rivelazione multi-specie, con sensibilità di poche parte per miliardo, e tempi di acquisizione dell’ordine di pochi secondi.