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Data documento: 15-07-2016

An EU project is making waves in the laser industry
Un progetto dell’UE sta agitando le acque nell’industria dei laser

A new type of compact laser source was demonstrated by the EU-funded GOSFEL project, which exploits graphene to create a solid-state free electron laser.
Un nuovo tipo di fonte laser compatta è stato dimostrato dal progetto GOSFEL, finanziato dall’UE, che sfrutta il grafene per creare un laser a elettroni liberi a stato solido.

There are many applications within industries ranging from communications (e.g. free space communication), to security (e.g. missile counter-measures) and to sensing (e.g. explosives), which would benefit from laser sources that are both compact and cost-effective.
Ci sono molte applicazioni nell’ambito di settori industriali che spaziano dalle comunicazioni (ad es. comunicazione in spazio libero), alla sicurezza (ad es. contromisure antimissile) e al rilevamento (ad es. esplosivi), che trarrebbero beneficio da fonti laser che siano sia compatte che convenienti.

Gaps in the spectrum, especially much of the far-infrared and THz, hold out promise for the development of new sources.
Le lacune nello spettro, in particolare gran parte dell’infrarosso lontano e della radiazione Terahertz, risultano promettenti per lo sviluppo di nuovi fonti.

At the same time, Free Electron Lasers (FELs) offer a radical alternative to conventional lasers being potentially the most efficient, high powered and flexible generators of tuneable coherent radiation from the ultra-violet to the infrared.
Allo stesso tempo, i laser a elettroni liberi (Free Electron Laser, FEL) offrono un’alternativa radicale ai laser convenzionali essendo potenzialmente i generatori più efficienti, potenti e flessibili di radiazione coerente sintonizzabile dall’ultravioletto all’infrarosso.

However, currently FELs are prohibitively large and expensive.
Tuttavia, i FEL sono attualmente grandi e costosi in modo proibitivo.

The GOSFEL (Graphene on Silicon Free Electron Laser) project exploited the recently identified, special qualities of graphene.
Il progetto GOSFEL (Graphene on Silicon Free Electron Laser) ha sfruttato le speciali qualità scoperte di recente del grafene.

>>>  In doing so it achieved what project coordinator Prof. Geoffrey Nash has referred to as a long held goal of physicists and engineers, namely, to create a compact, relatively inexpensive, solid-state version of such a laser.
Nel fare questo, esso ha raggiunto quello che il coordinatore del progetto, il prof. Geoffrey Nash, ha descritto come un obbiettivo di lunga data di fisici e ingegneri, ossia creare una versione compatta, relativamente poco costosa e allo stato solido di questo laser.

From theory, to design and build
Dalla teoria alla progettazione e alla costruzione

The GOSFEL project’s first priority was to advance a theoretical understanding of the underlying physics and principles, before going on to design and construct a graphene-metamaterial hybrid, functioning as a laser cavity and significantly boosting the light-graphene-interaction.
La priorità del progetto GOSFEL era quella di far progredire la comprensione teorica delle leggi fisiche e dei principi che stanno alla base, prima di procedere con la progettazione e la fabbricazione di un metamateriale ibrido basato sul grafene, che funge da cavità laser e promuove significativamente l’interazione luce-grafene.

FELs typically work when electron beams emit radiation by travelling in a vacuum and passing through an undulatory magnetic field.
I FEL solitamente funzionano quando dei fasci di elettroni emettono una radiazione viaggiando nel vuoto e attraversando un campo magnetico ondulatorio.

The emission wavelength is established by the electron beam energy and the period of the magnetic field.
La lunghezza d’onda dell’emissione è stabilita dall’energia del fascio di elettroni e dal periodo del campo magnetico.

Rather than use a magnetic field, the GOSFEL team came up with a new structure, based on patterning of the graphene, to accelerate/decelerate electrons to make them emit radiation in the range of 0.2 to 10 THz.
Anziché usare un campo magnetico, il team di GOSFEL ha inventato una nuova struttura, basata sul patterning del grafene, per accelerare/decelerare gli elettroni e far loro emettere una radiazione compresa tra 0,2 e 10 THz.

Devices incorporating this structure are currently being tested and the team is confident that they will demonstrate the principle of operation over the next few months.
I dispositivi che contengono questa struttura sono attualmente sottoposti a test e il team è sicuro che essi dimostreranno il principio di funzionamento nel corso dei prossimi mesi.

In addition, a new electromagnetic feedback cavity has been developed in parallel and will ultimately be integrated into the device.
Inoltre, è stata sviluppata in parallelo una nuova cavità di feedback elettromagnetico che verrà alla fine integrata nel dispositivo.

One, somewhat unexpected consequence, of the hybrid device was that as Prof. Nash puts it:
Una conseguenza alquanto inattesa del dispositivo ibrido viene così descritta dal prof. Nash:

‘The graphene metamaterial hybrid was developed to act as the cavity for the laser, but we found that it also acts as an exiting platform to study the physics of light-matter interactions.’
“Il metamateriale ibrido basato sul grafene è stato sviluppato per fungere da cavità per il laser, ma abbiamo scoperto che esso funge anche da piattaforma di uscita per studiare la fisica delle interazioni tra luce e materia.”

Numerous applications
Numerose applicazioni

Prof. Nash points out that GOSFEL’s demonstration of a graphene based FEL would challenge prevailing views about laser operation (such as room temperature operability), as well as offering the prospect of progress on a number of research and development fronts.
Il prof. Nash segnala che la dimostrazione di GOSFEL di un FEL basato sul grafene metterebbe a dura prova le opinioni prevalenti riguardanti il funzionamento dei laser (come ad esempio l’operabilità a temperatura ambiente), oltre ad offrire prospettive di progresso su un gran numero di fronti per la ricerca e lo sviluppo.

A new graphene based component industry (possibly offering cheaper devices than the current semiconductor based ones) is likely to be of great interest to sensor, analyser and instrument manufacturers.
Una nuova industria dei componenti basati sul grafene (che offra possibilmente dispositivi più economici rispetto a quelli attuali basati sui semiconduttori) dovrebbe essere molto interessante per fabbricanti di sensori, analizzatori e strumenti.

When asked about some of the likely specific applications, Prof.Nash states that:
Quando gli viene chiesto di parlare di possibili applicazioni specifiche, il prof. Nash afferma che:

‘We have already demonstrated beyond state-of-the-art THz modulators that could be used as part of future communications systems, and also cavity enhanced graphene based photodetectors.
“Abbiamo già dimostrato dei modulatori THz che superano l’attuale tecnologia all’avanguardia e che potrebbero essere usati come parte di futuri sistemi di comunicazione, e anche fotorivelatori basati sul grafene potenziati mediante cavità.

He goes on to assert that, ‘The tunability of the hybrid modes provides a route toward spectrometer-free sensing, which combined with the integrated detector, opens up the possibility of highly sensitive, low-cost, and miniaturized sensors for point of-care medical applications for example.”
Egli prosegue asserendo che “La possibilità di regolare le modalità ibride fornisce una strada verso il rilevamento senza spettrometri, che combinato con il rilevatore integrato, rende ad esempio possibili dei sensori miniaturizzati molto sensibili e a basso costo per applicazioni mediche da utilizzare sul posto.

He adds that the technology could also inaugurate new sensors for more effective monitoring of atmospheric pollutants, such as nitrogen dioxide, leading to better mitigation and control measures.
Egli aggiunge che la tecnologia potrebbe anche introdurre nuovi sensori per un monitoraggio più efficace degli inquinanti atmosferici, come ad esempio il biossido di azoto, portando a migliori misure di mitigazione e controllo.

Looking to the future, the professor asserts that once the right funding is secured, the work will build on these proof-of-principle modulator and detector devices and will build prototypes of interest to component and sensor industries.
Guardando al futuro, il professore afferma che una volta garantito il giusto finanziamento, il lavoro svilupperà ulteriormente questi dispositivi modulatori e rivelatori che hanno dimostrato la validità del principio e costruirà dei prototipi interessanti per le industrie dei componenti e dei sensori.

For more information, please see:
Per maggiori informazioni, consultare:

project website
Sito web del progetto

Source: Based on an interview with the project coordinator
Fonte: Sulla base di un’intervista con il coordinatore del progetto