AL POSTO DEI PRISMI, PELLICOLE CHE PRODUCONO UNA DIFFRAZIONE AD HOC

In Brianza l’artigianato hi-tech dei maghi della luce

Si chiamano reticoli olografici, permettono di “aprire” la luce in tutte le sue componenti e vengono usati in astronomia per le misure spettroscopiche. Alcuni fra i più grandi al mondo escono dai laboratori dell’Inaf di Merate, dove Michele Frangiamore li crea guidando una a una con un laser le molecole di materiali fotopolimerici. Lo abbiamo intervistato

     28/07/2021
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Michele Frangiamore con i due reticoli dimostratori del progetto Opticon: un Vphg ottimizzato per la banda blu (6 µm) a destra e uno per la banda rossa a sinistra (8 µm). Crediti: Crediti: Stefania Giudici, Inaf

Siamo in Brianza, pochi km a sud del lago di Como e a ovest dell’Adda. Nella succursale di Merate dell’Osservatorio astronomico di Brera, una fra le strutture di ricerca dell’Istituto nazionale di astrofisica. È qui – fra gli alberi del colle di San Rocco, negli edifici di quello che fino alla Prima Guerra Mondiale era un ospedale – che Michele Frangiamore forgia a colpi di fotoni i cosiddetti Vphg: volume phase holographic gratings, oggetti del desiderio degli spettroscopisti del ventunesimo secolo.  

Originario di Missaglia, in provincia di Lecco, Frangiamore ha studiato astrofisica a Milano e da qualche mese lavora fra queste mura, nei laboratori del gruppo gOlem, prendendo il testimone di Alessio Zanutta e sotto la guida di un altro “mago della luce”, l’ingegnere dei materiali Andrea Bianco. Entrare nel laboratorio gOlem – scritto proprio così, con la ‘O’ di ‘ottiche’ in maiuscolo – è come varcare la soglia della bottega d’un orafo. Un orafo hi-tech, qual è appunto Frangiamore. I suoi strumenti non sono lima e bulino, ma fasci di luce laser. La sua materia prima non è oro né diamanti, ma sottilissimi film polimerici. E quel che crea sono gioielli di forma rettangolare e dai colori cangianti destinati a essere “indossati” dai più potenti telescopi del mondo.

Reticoli olografici, li chiamano. Quando leggiamo notizie come “l’esopianeta dove piove ferro” o “tracce di metanolo nella Grande Nube di Magellano”, spesso all’origine della scoperta c’è un reticolo olografico – un Vphg, appunto. Un sottilissimo film di materiale fotopolimerico plasmato ad hoc così che la luce raccolta dal telescopio, quando lo attraversa, venga come sgranata – lunghezza d’onda per lunghezza d’onda – nelle varie componenti dello spettro, pronta per essere data in pasto allo spettrografo. «Ci è stato chiesto di costruire e caratterizzare il più grande reticolo possibile per le capacità del nostro laboratorio», spiega Frangiamore riferendosi agli obiettivi di Opticon, il progetto europeo che ha finanziato l’attività, «e questi sono quelli che abbiamo realizzato», dice indicando due grosse mattonelle di vetro semitrasparenti grandi all’incirca quanto un foglio A4.

Di solito non si usano i prismi, per fare gli spettri della luce?

«L’immagine del prisma e dello spettro luminoso – in stile copertina dei Pink Floyd, quella di Dark side of the Moon – è entrata nella conoscenza collettiva, ma in campo scientifico la tendenza è abbandonare questa strategia preferendo tecnologie più moderne, come appunto i Vphg. La funzione è simile. In un prisma quel che cambia è l’indice di rifrazione del vetro a seconda del colore della luce: modificando il cammino ottico della luce, questa viene dispersa in modo differente per i diversi colori. Nei reticoli, invece, la diffrazione è prodotta da una serie di righe, molto vicine fra loro, che creano un’interferenza. La luce viene così “aperta” nei vari colori. Regolando il numero di righe e il contrasto fra zone piene e zone vuote riusciamo a modulare il reticolo così da “aprire” la luce come ci serve: più o meno dispersa, con un arcobaleno più o meno lungo».

I due esemplari dimostrano la possibilità di realizzazione di grandi reticoli, 18 centimetri circa di apertura circolare selezionata dall’intero della geometria totale del reticolo, di dimensioni 19.5 x 18 cm, racchiuso in un sandwich di vetri antiriflesso di dimensioni 25 x 20 cm. Crediti: Stefania Giudici, Inaf

Di che materiale sono fatti? Di vetro, come i prismi?

«Il vetro c’è, ma solo come supporto, come protezione. Lo potete vedere nell’immagine qui sopra. Ci sono due strati di vetro, da circa due cm di spessore ciascuno, fra i quali è stato applicato un film sottilissimo – siamo attorno ai 100 micron. In realtà non è un film unico, ma un sandwich: c’è un film di supporto e un altro più sottile. Quest’ultimo, di appena qualche micron, è fatto di materiale fotopolimerico, ovvero in grado di reagire alla luce».

Che significa?

«Se lo illumino in un certo modo, e con luce d’un certo tipo, inizia a creare delle catene – catene polimeriche, appunto. Ciò che accade è che i monomeri di cui è formato inizialmente “inseguono” la luce dando origine a una sorta di catenelle. Ecco così che, semplicemente con la luce, posso creare a piacere zone di diversa densità – e dunque con diverso indice di rifrazione».

Ottenendo i reticoli olografici, i Vphg…

«Esatto. Ciò che facciamo è anzitutto creare un pattern d’interferenza con due luci laser. Poi lo regoliamo con precisione fino a ottenere il reticolo che vogliamo – in altre parole, l’ologramma. E a questo punto lo registriamo, lo “impressioniamo” sulla pellicola – occorrono da pochi secondi a un minuto – sfruttandone, appunto, le proprietà fotopolimeriche».

Quanti ne avete realizzati, fino a ora?

«Di così grandi ne abbiamo costruiti in tutto sei. I due che vedete sono i campioni “sopravvissuti”, gli altri erano di test. Pesano circa quattro chili l’uno e misurano circa 250 per 200 millimetri. Va detto che arrivare a queste dimensioni è davvero molto impegnativo».

Perché è tanto importante che siano così grandi?

«Dipende dai telescopi ai quali sono destinati. Maggiore è il fascio che esce dall’area di raccolta di luce – dunque la “pupilla” del telescopio – e più ampio dovrà essere il reticolo che serve a disperdere la luce, se si vogliono ottenere alte prestazioni con lo spettrografo».

E i vostri sono tra i più grandi al mondo…

«Be’, con questa tecnologia ne esistono anche fino a 280 per 450 millimetri. Ma l’azienda che li fabbrica sta per dismettere la produzione di quelli destinati l’astronomia. C’è dunque una certa preoccupazione nella comunità scientifica».

I reticoli vengono realizzati in un ambiente a basso contenuto di polveri e contaminanti, su di un tavolo ottico dove viene predisposto il setup dedicato alla realizzazione del reticolo specifico. Alcune componenti sul tavolo restano fisse, mentre altre componenti vengono tolte, aggiunte o spostate per regolare finemente i parametri di scrittura ed ottenere – entro un margine di tolleranza di circa il 5-7 per cento dal design teorico – il Vphg desiderato. Crediti: Inaf

Vorrà dire che acquisteranno i vostri, quelli che usciranno dal laboratorio dell’Inaf di Merate, no?

«Non è così semplice: al momento siamo un laboratorio di ricerca, dovremmo diventare in un laboratorio votato alla produzione. Però abbiamo già una decina di Vphg che stanno funzionando su diversi telescopi, compreso il Tng – il Telescopio nazionale Galileo, alle Canarie. Tutti reticoli che abbiano prodotto noi, anche se con dimensioni un po’ più ridotte».

Questi due grandi che avete qui, invece?

«Sono dimostratori, ne è stata chiesta la produzione e la caratterizzazione nell’ambito del progetto Opticon. Dovevamo dimostrare di essere in grado di creare grandi reticoli con l’efficienza, la qualità d’ottica e il fronte d’onda richiesti. Al momento non sono destinati a un telescopio. Ma date le loro dimensioni sarebbero adeguati per telescopi come quelli che formano il Very Large Telescope dell’Eso. E il nuovo progetto che dovrebbe finanziarci, Orp, prevede proprio la produzione di reticoli di questo tipo per migliorare le prestazioni di alcuni telescopi europei».

Se qualche telescopio ve ne chiedesse uno, che prezzo gli fareste?

«Ah, bella domanda. Sarebbe molto complicato, perché questi sono i primi che abbiamo prodotto. Il costo del materiale è abbastanza contenuto, parliamo di qualche migliaia di euro, così come quello complessivo di produzione. Ma con il lavoro di ricerca e i tempi per i test si arriva a importi molto più elevati. Per dire, quando alcuni anni fa abbiamo acquistato i cinque reticoli Vphg – appena un po’ più grandi dei nostri – per lo spettrografo Weave del telescopio William Herschel, in tutto abbiamo pagato circa trecentomila euro».

Be’, diciamo che se riusciste a venderne, l’importo del suo contratto da ricercatore sarebbe ampiamente ripagato…

«Sì, certo. Sarebbe un’opportunità per il laboratorio, per rinnovarlo e acquistare attrezzatura. Per me invece cambierebbe poco, l’importo del mio assegno rimarrebbe lo stesso. Ma va bene così, sono qui da appena sei mesi e mi piace parecchio quello che faccio».