LASER

Processi di pompaggio

Meccanismi più utilizzati per pompare il materiale attivo

- Pompaggio mediante scarica elettrica (pompaggio elettrico)

- Pompaggio mediante lampade flash (pompaggio ottico)

- Pompaggio a diodi (pompaggio ottico)

1) Pompaggio mediante scarica elettrica

- usato nei laser a gas

• Il gas è racchiuso in tubo di quarzo sigillato agli estremi dagli spechi che costituiscono la cavità risonante.

• Tra i due elettrodi (A e C) viene creata una scarica elettrica che attraversa il gas.

2) Pompaggio mediante lampade flash

- usato nei laser a stato solido

2) Pompaggio a diodi

- un diodo a semiconduttore (o un array di diodi) può essere usato per il pompaggio ottico nei laser a stato solido (Nd:YAG) oppure nei laser in fibra.

R = 80 %

Efficienza laser

Efficienza laser: ηL = energia ottica dell’emissione laser

energia elettrica

Efficienza laser

Efficienza di diversi laser

Meccanismi di eccitazione

Meccanismi di eccitazione (modalità per produrre atomi o molecole in

stato eccitato) :

- eccitazione tramite pompaggio ottico

- eccitazione tramite trasferimento risonante di energie

- eccitazione tramite urti elettronici

- eccitazione tramite effetto Penning

1) Eccitazione tramite pompaggio ottico• Pompaggio ottico – tecnica per creare inversione di popolazione in sistemi atomici o molecolari tramite la combinazione di processi di eccitzione ottica risonante è processi di diseccitazione.

• Il pompaggio ottico è utilizzato quasi esclusivamente per i laser del lontano IR (laser rotazionali), ma anche per altri laser molecolari (CO2, CF4, NOCl, SF6, NH3, etc)

• La sorgente di radiazione per il pompaggio: - lampada di banda larga (come quelle utilizzate per i laser a stato solido)- laser monocromatico

Esempi:- lampada flash con Xe – pompa il laser a Iodio, a rubino- lampada con He – pompa il laser con Cesio

• il pompaggio con sorgenti di banda larga si è dimostrato inefficiente – nei gas non essistono bande di assorbimento larghe (esse sono di ordino GHz o anche più strette).• il pompaggio ottico con i laser (relativamente recente (1970) ha i seguenti vantaggi:

- energia è depositata su livelli energetici preferenziali del mezzo attivo; - permette di raggiungere livelli di pompaggio molto alti;- il fascio laser può essere focalizzato in volumi piccoli

Eccitazione tramite pompaggio ottico

Schemi per realizzare inversione di popolazione tramite pompaggio ottico:

a) Laser a 3 livelli: pompaggio j�k e inversione k�i

Ek > Ei >> Ej + kT (i livelli k e i non sono popolati prima del pompaggio)Condizione per funzionamento in onda continua: (Nj0 – Ni0) τij

-1 > (Ni0 – Nk0)τki-1

Ni0, Nj0, Nk0 – popolazioni di equilibrio prima del pompaggioτij, τki – tempi di diseccitazione caratteristici.

b) Schema con 3 livelli “invertita”Ek >> Ej + kT > E Condizione per funzionamento in onda continua: (Ns0 – Nk0) τks

-1 > (Nj0 – Ns0)τsj-1

Questo schema e più difficile, meno efficiente, e quindi meno utilizzato.

Pompa

Laser

Pompa

Laser

c) Schema con 4 livelli- eccitazione in più passi tramite processi

multifotonici

d) Pompaggio ottico con trasferimento di energia

- le molecole che si trovano in coincidenza energetica con la radiazione di pompaggio trasferiscono colisional l’energia verso il livello l

Eccitazione tramite pompaggio ottico

e) Pompaggio in 2 step (push-push)- in questo caso il livello intermedio l non è necessariamente in risonanza con la radiazione di pompaggio

f) Combinazione schema 3 livelli + schema 3 livelli invertita (push-pull)• L’eccitazione tramite pompaggio otticorichiede una stretta coincidenza tra lunghezza d’onda di pompaggio e lunghezza d’onda di assorbimento.

• Esiste un num. grande di righe nell’IR e un num. grande de righe di assorbimento delle molecole � una coincidenze spettrale può essere facilmente ritrovata.

Eccitazione tramite pompaggio ottico

Pompaggio ottico può essere combinato con altri sistemi di eccitazione:- scarica elettrica- trasferimento risonante di energia

Velocità di pompaggio- consideriamo un fascio di pompaggio monocromatico con frequenza νp� potenza assorbita in unità di volume di gas:

W [s-1] – velocità di pompaggio supponendo che il livello superiore è nepopolatohνp – energia dei fotoni di pompaggio

La velocità di assorbimento può essere espressa anche in funzione del flusso di radiazione di eccitazione φ� [m-2 s-1] o in funzione dell’irradianza Iν [W�m-2] alla frequenza νp.

σ [m2] – sezione trasersale dell’assorbimento

Eccitazione tramite pompaggio ottico

La potenza di pompaggio assorbita in unita di volume può essere espressa anche in funzione della densità di energia di pompaggio Eνp [J�m-3]

dove:c – velocità della luce� - efficienza di conversione energetica

Efficienza di conversione energetica: δδδδδδδδλλλλ

λλλληηηη

p

p

EE==

2

�p, � - lunghezza d’onda della radiazione di pompaggio, rispettiv. radiazione emessa da laserEp, E – energia della radiazione di pompaggio, rispettiv. della radiazione di emissione laser

� - frazione di energia di pompaggio assorbita da gas,

� - coefficiente di assorbimento per lunghezza d’onda di pompaggioL – lunghezza del camino di assorbimentoN – numero efettivo di pasaggi della radiazione di pompaggio nel laser

Esempio: pompaggio del laser a CF4 con il laser a CO2 (riga 9R(12) della banda 9,4 µm), - per � = 1,1x10-4 cm-1torr-1, p = 3,5 torr è necessario che L = 3,5 m;- per � = 16,26 µm � �

E/Ep - Efficienza di estrazione

2) Eccitazione tramite trasferimento risonante di energia

• Il gas e formato da 2 specie: A e B (A in stato eccitato, B in stato fondamentale)

• Esiste la probabilità che dopo l’urto l’energia di A viene trasferita a B, se la differenza di energie tra le due transizioni ∆E < kT , (T – temperatura del gas, k – ct. di Boltzmann (k = 1.38 x 10-23 J/K).

A* + B A+B* + ∆E• Un metodo efficiente per pompare la molecola di CO2: N2*+CO2 N2+CO2* + ∆E

• Generalmente la specie A è eccitata tramite gli urti elettronici è speso rimane allungo nello stato superiore A*.

• il numero di transazioni nell’unità di volume e nell’unità di tempo per il trasferimento risonante di energie A-B è:

- sezione trasversale d’urtoNA – popolazione dello stato superiore della specie ANB – popolazione dello stato inferiore della specie Bv – velocità relativa dei 2 atomi

Eccitazione tramite trasferimento risonante di energia

• il trasferimento risonante di energia occorre anche nel caso in quale A* (atomo eccitato) interagisce con BC (una molecola), risultando un trasferimento di energia su stati vibrazionali della molecola:

A* + BC A + BC* + ∆EEsempi:

- Hg* - può trasferire l’energia alle molecole di CO, NO o HF;

- Na* - può trasferire l’energia alle molecole di CO.

• l’eccitazione tramite il trasferimento risonante di energia può condurre anche alla dissociazione della molecola BC (non è obbligatorio che B è C sono entrambe eccitate):

A* + BC A + B* + C* + ∆E

Esempio:

- Hg* + CH2CF2 Hg + CHCF + HF* + ∆E

3) Eccitazione tramite urti elettronici

� è il metodo di pompaggio più utilizzato � si realizza tramite una scarica elettrica in gas con sorgente di corrente continua,

impulsata, di radio frequenza o una combinazione di esse.� tramite la scarica si producono ioni ed elettroni liberi � e- ricevendo energie cinetica supplementare tramite l’accelerazione in campo

elettrico, possono eccitare tramite urti una molecola, un atomo neutro o un ione.

A+e- A* + e- – Ec

A, A* - atomo, molecola o ione in stato fondamentale, rispettivamente eccitatoEc - energie cinetica rilasciata dall’elettrone in scarica

Gli urti possono essere: - elastici (Ec del e- non si modifica, e- cambia solo la sua direzione) � non

contribuiscono all’eccitazione)

- inelastici (Ec del e- incidente si modifica, la direzione del e- può cambiare o può rimanere inalterata) � contribuiscono all’eccitazione delle specie atomiche sui livelli superiori o alla loro ionizzazione.

Eccitazione tramite urti elettronici• Eccitazione del mezzo laser con un fascio di e- monoenergetici collimato:

• la variazione nel tempo della popolazione su livello N2 è collegata con la variazione del flusso di e- che ha eccitato il livello:

- sezione trasversale per l’eccitazione dal livello fondamentale sul livello superiore

- rata di pompaggio elettrone–specie atomica (dipende da j e E/N)

(E – campo eletrico longitudinale, N - densità dei atomi dalla scarica, j – densità di corente dalla scarica, vD – velocità di drift, e - carica elettrica)

densità delle specie atomiche sullo stato fondamentaleflusso di e- (elettroni/s�cm2)densità di e-

velocità dei e-

sezione trasversale d’urto

Eccitazione tramite effetto Penning

• Nei laser con vapori metallici (HeCd) l’inversione di popolazione si realizza tramite urti di tipo Penning fra gli atomi metastabili di He e atomi di Cd.

• La ionizzazione tramite urti di tipo Penning si realizza secondo il processo:

A* + B � A + B’ + e-

• L’ione B’ può essere eccitato o meno (dipende se l’energia di eccitazione del atomo A* è più grande o uguale con l’energia necessaria per la ionizzazione del atomo B).

EA � EB è l’unica condizione imposta

• L’eccesso di energia si trasforma in energia cinetica dell’elettrone.

• il processo è particolarmente efficiente quando A* si trova in uno stato metastabile.

• A differenza del trasferimento risonante di energia, l’ionizzazione Penning è un processo nonrisonante;

•Esempio: nel laser con HeCd, l’eccitazione tramite urti di tipo Penning:

He* + Cd � He + (Cd ’)* + e-

Regimi di funzionamento di un laser.Laser cw, laser impulsati, Q-switch

LASER

Regimi di funzionamento di un laserI laser possono funzionare in onda continua o in impulsi.

Funzionamento in regime continuo – la potenza del laser è mantenuta costante per periodi lunghi di tempo.

Funzionamento in regime impulsato – il laser emmete impulsi con una certa frequenza. Ogni impulso a la durata τp.

Il modo più semplice di generare impulsi è interompere periodicamente un fascio laser continuo con un otturatore comandato o un disco rotativo con buchi.

Tempo [s]

Pot

enza

[w]

Tempo [s]

Pot

enza

[w]

Regime continuoRegime impulsato ottenuto interompendo

periodicamente un fascio continuo

Regimi di funzionamento di un laser

Nel caso del regime impulsato ottenuto interompendo periodicamente un fascio continuo, la potenza di picco di un singolo impulso e uguale alla potenza del laser in continuo.

Tp – periodo

τp – durata del impulso

fr – frequenza di ripetizione

Pp – potenza di picco

PAV – potenza media

r

p fT 1=

p

p

p

AV PT

Pττττ

=

Tempo [s]

Pot

enza

[w]

PAV

Regimi di funzionamento di un laser

Regime normale impulsato (free running)– si ottiene accumulando energia nella soegente di alimentazione del circuito che viene poi scaricata rapidamente conducendo alla emissione di impulsi laser con potenza di picco più grande rispetto al funziona-mento in onda continua. Quindi, il pompaggio è intermitente.

Essempio: il laser a CO2 con superpolso ha potenza di picco di centinaia di W, rispetto 20 - 30 W in onda continua. La durata del impulso è di centinaia di µs.

L’area sotto la curva dei impulsi laser rappresenta l’energia di ogni impulso E [J].

Potenza media:

Duty cycle:

p

AV TEP =

rp fττττδδδδ = [ ]1,0∈δδδδ

spentocontinuo

τp ~ 10-4 s

Regimi di funzionamento di un laser

Regimi di funzionamento di un laser

Regime Q-switch – fa aumentare il rapporto di inversione della popolazione durante la fase in cui non vi è emissione del fascio in modo che la successiva emissione sia ad una potenza maggiore (si raggiungono i GW di picco).

Q – fattore di qualità della cavità (comuta da un valore minimo a un valore massimo)

Tempo [s]

Pot

enza

[W]

Ppτp ~ 10-9 s

Tipi di sorgenti laser: laser a gas, laser a stato solido, diodi laser

LASER

Classificazione dei laser

Secondo il materiale attivo:

Altre comuni classificazioni del laser secondo:

(UV, IR, VIS)

Schema di principio di un LASER a gas

L’eccitazione si fa tramite scarica elettrica. Elettroni accelerati dall’campo elettrico collidono con gli atomi. Energia dell’elettrone si trasferisce all’atomo (collisione innelastica), portandolo su un livello energetico più alto.

Pompaggio ottico è poco efficiente perché le righe di assorbimento sono molto più strette che nei materiali solidi, mentre le lampade hanno una forte componente continua e le emissioni discrete.

LASER a gas

il grande numero ,solo

LASER a gas – He-Ne

Il gas è racchiuso dentro un tubo di quarzo, sigillato agli estremi da 2 specchi (cavità ottica).

Un impulso elettrico di 10 kV, applicato fra gli elettrodi, dà luogo a una scarica elettrica attraverso il gas (pompaggio del mezzo attivo). Una corrente di 3-10 mA (dc) è sufficiente per mantenere la carica.

Pompaggio del LASER a Elio-Neon (He-Ne)

LASER a gas – He-Ne

LASER a gas – eccimeri

LASER a gas – eccimeri

Mezzo e tipo di amplificazione

laser Lunghezza d'onda operativa Sorgente di pompaggio Usi e note

Laser a elio-neon 632.8 nm (543.5 nm, 593.9 nm, 611.8 nm, 1.1523 µm, 1.52 µm, 3.3913 µm)

Scarica elettrica Interferometria, olografia, spettroscopia, scansione di codici a barre, allineamento, dimostrazioni ottiche.

Laser ad argo

454.6 nm, 488.0 nm, 514.5 nm (351 nm,457.9 nm, 465.8 nm, 476.5 nm, 472.7 nm, 528.7 nm)

Scarica elettrica Fototerapia retinica (per diabete), litografia, microscopia confocale, pompaggio di altri laser.

Laser al kripton 416 nm, 530.9 nm, 568.2 nm, 647.1 nm, 676.4 nm, 752.5 nm, 799.3 nm

Scarica elettrica Ricerca scientifica, mescolati con argo per ottenere laser a luce bianca per giochi di luci.

Laser a ioni di xeno

Molte righe spettrali dall'ultravioletto fino all'infrarosso.

Scarica elettrica Ricerca scientifica.

Laser ad azoto 337.1 nm Scarica elettrica

Pompaggio di laser a coloranti organici, misura dell'inquinamento ambientale, ricerca scientifica. I laser ad azoto possono funzionare in superradianza (cioè senza una cavità risonante). Costruzione di laser amatoriali.

Laser ad anidride carbonica 10.6 µm, (9.4 µm)

Scarica elettrica trasversale (alta potenza) o longitudinale (bassa potenza)

Lavorazione di materiali (taglio, saldatura, etc.). Chirurgia.

Laser a monossido di carbonio

2.6 to 4 µm, 4.8 to 8.3 µm Scarica elettrica Lavorazione di materiali (incisione, saldatura etc.), spettroscopia fotoacustica.

Laser a eccimeri 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF)

Ricombinazione di eccimeri con una scarica elettrica

Litografia ultravioletta per fabbricazione di circuiti integrati, chirurgia laser, LASIK.

Tipi di laser a gas

http://it.wikipedia.org/wiki/Lista_di_tipi_di_laser

Schema di principio di un LASER a stato solido

LASER a stato solido - Titanio:Zaffiro

LASER a stato solido - Neodimio

Tipi di laser a stato solidoMezzo e tipo di

amplificazione laser Lunghezza d'onda

operativa Sorgente di pompaggio Usi e note

Laser a rubino 694.3 nm Lampada stroboscopica Olografia, rimozione di tatuaggi. Il primo tipo di laser a luce visibile inventato (Maia 1960).

Laser Nd:YAG 1.064 µm, (1.32 µm) Lampada stroboscopica, diodo laser

Lavorazione di materiali, misurazione distanze, puntatori laser, chirurgia, ricerca, pompaggio di altri laser (combinato con duplicatori di frequenza per produrre un fascio verde da 532 nm). Uno dei più comuni laser ad alta potenza. Di solito funziona ad impulsi (brevi fino a frazioni di nanosecondo)

Laser Er:YAG 2.94 µm Lampada stroboscopica, diodo laser Scalatura periodontale, odontoiatria

Laser Nd:YLF 1.047 e 1.053 µm Lampada stroboscopica, diodo laser

Generalmente usato per il pompaggio impulsivo di certi tipi di laser Ti:zaffiro, combinato con duplicatori di frequenza.

Laser Nd:YVO4 1.064 µm diodo laser Generalmente usato per il pompaggio continuo di laser Ti:zaffiro o a coloranti in modelocking, in combinazione con duplicatori di frequenza. Usato anche a impulsi per marcatura e microlavorazioni meccaniche.

Laser Nd:YCOB (Nd:YCa4O(BO3)3)

~1.060 µm (~530 nm alla seconda armonica)

diodo laser

Nd:YCOB è un cosiddetto "materiale laser ad autoraddoppio di frequenza" o materiale SFD, che oltre ad essere capace di amplificazione laser ha anche caratteristiche ottiche nonlineari che lo rendono capace di funzionare in seconda armonica. Tali materiali permettono di semplificare il progetto di laser verdi ad elevata brillantezza.

Laser Neodimio-vetro (Nd:Glass)

~1.062 µm (vetri ai silicati), ~1.054 µm (vetri ai fosfati)

Lampada stroboscopica, diodo laser

Usati per potenze ed energie estremamente elevate (dell'ordine del terawatt e dei megajoule), in sistemi a fasci multipli per fusione a confinamento inerziale. Viste le potenze in gioco, i laser Nd:Glass sono otticamente nonlineari e vengono usati per triplicare la loro stessa frequenza di lavoro: funzionano generalmente in terza armonica a 351 nm.

Laser titanio-zaffiro (Ti:zaffiro) 650-1100 nm Altri laser

spettroscopia, Lidar, ricerca. Questo laser si usa spesso in laser infrarossi altamente accordabili in modelocking per produrre impulsi ultrabrevi e in amplificatori laser per produrre impulsi ultrabrevi e ultrapotenti.

Laser Tm:YAG (Tm:YAG) 2.0 µm diodo laser Lidar.

Laser itterbio:YAG (Yb:YAG) 1.03 µm Diodo laser, lampada stroboscopica

Raffreddamento ottico, lavorazione materiali, ricerca sugli impulsi ultrabrevi, microscopia multifotonica, Lidar.

Laser Olmio:YAG (Ho:YAG) 2.1 µm diodo laser Ablazione tissutale, rimozione di calcoli renali, odontoiatria.

Laser a semiconduttore - diodo

Laser a semiconduttore - diodo

Laser a semiconduttore - diodo

Laser a semiconduttore - diodo

Mezzo e tipo di amplificazione

laser

Lunghezza d'onda

operativa

Sorgente di pompaggio Usi e note

Diodo laser a semiconduttore (informazioni generiche)

0.4-20 µm, a seconda del materiale della regione attiva.

Telecomunicazioni, olografia, stampa laser, armamenti, macchinari, saldatura, sorgenti di pompaggio per altri laser.

GaN 0.4 µm Dischi ottici

AlGaAs 0.63-0.9 µm

Dischi ottici, puntatori laser, comunicazioni dati. I laser da 780 nm per i lettori CD sono il tipo di laser più comune del mondo. Pompaggio di altri laser a stato solido, lavorazioni industriali, applicazioni mediche.

InGaAsP 1.0-2.1 µm Telecomunicazioni, pompaggio di altri laser a stato solido, lavorazioni industriali, applicazioni mediche.

sali di piombo 3-20 µm Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL)

850 - 1500 nm, a seconda del materiale

Telecomunicazioni

Laser a cascata quantica

Dal medio al lontano infrarosso.

Ricerca, applicazioni future includono radar anticollisione, controllo di processi industriali e strumenti di diagnosi medica come analizzatori del fiato.

Laser ibridi al silicio

Medio infrarosso

Corrente elettrica

Ricerca

Tipi di laser a semiconduttore

Schema di principio di un LASER con colorante

Lunghezze d’onda di emissione dei laser

• La più piccola lunghezza d’onda utilizzata è emessa dal laser con eccimeri ArF (193 nm)

• Le più grandi lunghezze d’onda vengono emesse dai laser rotazionali (decine e centinaia di �m).

L’intervallo spettrale di emissione dei laser

Laser con emissione nell’UV

UL

TR

AV

IOL

ET

TO

• i laser più importanti nell’UV sono il laser con eccimeri ArF (193 nm), KrCl (223 nm), XeBr (282), XeCl (308 nm), XeF (348 nm) ed il laser con N2 (337 nm) implusati.

• λmin in emissione continua: He-Cd (325 nm).

Nd:YAGquinta armonica

Nd:YAGquarta armonica

Nd:YAGterza armonica

Laser con emissione nel visibile

continuo

impulsato

Laser con emissione nell’IR

elettroni