CAPITOLO 2 : I laser a gas

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1 CAPITOLO : I laser a gas I laser a gas costituiscono la categoria più ricca e quella che consente di ottenere il più vasto campo di prestazioni. Essi si suddividono a loro volta in più categorie, di seguito elencate, con accanto la gamma di lunghezze d'onda di funzionamento. ad atomi neutri V - IR a ioni UV - V molecolari IR a vapori metallici UV - V a "eccimeri" UV - V I laser a gas usano solitamente una miscela di gas di composizione adatta a massimizzare le proprietà di pompaggio o di emissione come le caratteristiche di scarica o la vita media degli stati eccitati. L'emissione può avvenire da transizioni + + elettroniche in atomi neutri (come per l'he-ne) o in atomi ionizzati (come Ar, Kr ), ww ww o in molecole (come F, N ), in eccimeri transitori (come KrF), o da transizioni vibrazionali o rotazionali in molecole (come CO, CH3F) o da transizioni elettroniche + ioni molecolari (come N ). In Tabella.1 riportiamo un elenco dei più comuni laser in funzionamento continuo (CW) o pulsato, con le corrispondenti lunghezze d'onda di emissione e potenze di uscita tipiche. I laser a gas sono eccitati da una gran varietà di metodi di pompaggio, che includono le scariche elettriche pulsate o a radiofrequenza (rf), pompaggio ottico, reazioni chimiche e espansione gas dinamica. Laser - (nm) Neutral atom He-Ne 633 Cu 510.6, Ionised atom Ar 488, Ionised atom Kr 647 He-Cd 441.6, 35.0 Excimer KrF 48 3 Molecular CO Molecular N Molecular F HCN CH3F 496 Tabella.1. Esempi di alcuni dei più comuni laser a gas. Il primo laser a gas, che è stato anche il primo laser CW, era basato su miscela di elio e di neon eccitata da una scarica elettrica a rf, che produceva emissione laser CW a m. I laser a gas sono eccitati per lo più da una scarica elettrica, con scarica continua, pulsata o a rf. Il meccanismo di allargamento di riga nei gas, alle pressioni ottimali per il funzionamento laser, produce righe di transizione con larghezze fino a pochi GHz. I livelli energetici possono essere eccitati per urto elettronico o per collisioni risonanti atomo-atomo. Per contro, il pompaggio ottico, usato comunemente nei laser a stato solido, è utilizzato raramente, tranne che per il pompaggio dei laser nel medio infrarosso (8-0. m) e lontano infrarosso (50. m - 1 mm). Il pompaggio chimico è efficace per sistemi particolari, come nel laser HF laser e nei laser a fotodissociazione e chimici a ossigeno-iodo (COIL). 1/1

2 Laser ad atomi neutri Il materiale attivo è un gas non ionizzato; le potenze sono piccole (max 50 mw), l'eccitazione si ottiene solitamente tramite scarica elettrica fredda, cioè a bassa potenza (10 kv - 5 ma sono valori tipici); le pressioni del gas sono solitamente molto basse..1 Il laser a elio-neon Si tratta di un laser a gas ad atomi neutri, in quanto la transizione degli elettroni avviene tra i livelli energetici dell'atomo neutro. Mezzo attivo Il materiale attivo è una miscela di He-Ne, ove l'he funge da serbatoio di energia per il Ne; possiamo pertanto dire che questo è un particolare laser a tre livelli ove, secondo la schematizzazione fatta in precedenza, il livello 3 appartiene all'atomo di He, mentre i livelli 1 e fra i quali si instaura la transizione laser appartengono all'atomo di Ne. Nella Fig..1 mostriamo lo schema dei livelli energetici dell'he e del Ne. Energy ev S 0 Helium Atomic collisions 3s Neon 3.39μm S 1 s 3p 4 633nm eccitazione per collisioni elettroniche 1 1 S μm 1s 1s 5 p 1 p 4 decadimento radiativo veloce Radiation, diseccitazione per irraggiamento, diffusion, diffusione, and collisioni electron elettroniche collisions Figura.1 Schema dei livelli energetici dell He e del Ne La scarica elettrica eccita gli atomi di He, che nel loro ritorno allo stato fondamentale rimangono in parte intrappolati nei livelli metastabili S 0 e S 1. Il livello S 0 ha - vita media di 10 s, e energia di 0.61 ev; d'altra parte, il livello 3s ha energia di 0.66 ev e il processo p 10 1 He* ( S 0 ) + Ne (stato fondamentale) Ä He (stato fondamentale) + Ne (3s ) ha sezione d'urto molto elevata perché la differenza di energia tra i due livelli (0.05 ev) è piccola e può essere fornita dall'energia termica kt degli atomi. L'He trasferisce 1s 1 1/

3 quindi in maniera efficiente l'energia di eccitazione della scarica al Ne. Il livello Ne -7 3s ha vita media di circa 10 s (lunga, anche questo livello è metastabile) e decade nel livello p 4; questo livello non viene popolato per collisione con l'he e ha vita -8 media di circa 10 s, inferiore di quella del livello 3s : pertanto tra i livelli 3s e p4 può instaurarsi e mantenersi un'inversione di popolazione. 3 Similmente accade con le collisioni tra He* ( S 1 ) e il livello s del Ne. Le transizioni laser principali sono indicate in Fig..1 À - = 633 nm (rosso - la più usata), - = m e - = m (infrarosso); un'altra transizione è a - = 543 nm (verde), di minor guadagno. Sistema di pompaggio - Il pompaggio avviene tramite scarica elettrica: le collisioni e Ä He eccitano l'he a livelli molto alti, dai quali l'elettrone decade rapidamente, fino a tornare nello stato fondamentale. Molti elettroni, però, possono finire nei livelli 1 S0/ 3 S 1, che sono metastabili, e quindi a vita media media molto lunga. L'energia di questi livelli è molto alta (19-0 ev), per cui le collisioni tra gli atomi di He* eccitati e altri atomi può portare alla ionizzazione di questi ultimi, come accade per esempio con i metalli alcalini (il potenziale di ionizzazione del Li è circa 5 ev). La pressione totale della miscela He-Ne è di circa 1 torr, di cui il 10% è Ne. La pressione totale della miscela può essere, però, variata da frazioni di torr a parecchi torr, a seconda delle dimensioni del tubo. Per la riga a 63.8 nm le pressioni parziali che ottimizzano il guadagno sono:.5 mbar (He) e 0.13 mbar (Ne) (1 bar = torr o mm Hg; 1 bar = atmosfere). Tubo laser La realizzazione pratica del laser prevede tipicamente l'utilizzo di un tubo di vetro a forma di würstel (Fig..), all'interno del quale è presente la miscela di He e Ne. Abitualmente il tubo è abbastanza lungo per garantire anche una buona riserva di gas. Il diametro del tubo di scarica è scelto molto piccolo (circa 1 mm), dato che il guadagno è inversamente proporzionale al diametro del tubo (infatti, lo svuotamento dei livelli metastabili 1s del Ne avviene per collisione con le pareti del tubo), e questo svuotamento è necessario per evitare il ripopolamento del livello laser inferiore p per riassorbimento dai livelli 1s. All'estremità del tubo sono presenti due elettrodi: una scarica si propaga dal catodo all'anodo attraverso il gas eccitandolo. È necessario un impulso di innesco con un valore tipico di 10 kv mentre a regime la tensione è di V e la corrente di alcuni ma. L'uso di tubo capillare migliora il rendimento della scarica, controlla il diametro e la divergenza del raggio e anche la struttura dei modi trasversi. Alcune realizzazioni utilizzano finestre inclinate all'angolo di Brewster e poste all'interno della cavità, in modo tale che il fascio laser in cavità (e quindi in uscita) risulti polarizzato. Cavità ottica (o risonatore ottico) La radiazione laser risuona tra due specchi posti all'estremità del tubo ad una distanza che varia dai 10 cm ai m. Uno specchio è totalmente riflettente, l'altro permette la trasmissione di circa l'1% dell'energia incidente, che emerge come fascio collimato. Gli specchi delle cavità vengono saldati direttamente alle estremità del tubo, anziché essere incollati: la presenza di colle deteriora infatti l'he, quindi 1/3

4 fissando gli specchi senza l'utilizzo di colle si riduce notevolmente il deterioramento dell'he e si può portare la vita media del laser fino a 5000 ore. Specchio piano totalmente riflettente Specchio con coefficiente di riflessione 0,99 Finestra di BREWSTER Riserva di gas CATODO Raggio laser ANODO CATODO Cavità risonante Alimentazione esterna Foro capillare che confina sia il raggio che la scarica elettrica Fig..: realizzazione tipica di un laser a He-Ne. Tipicamente i laser a He-Ne oscillano in un unico modo trasverso producendo un fascio TEM 00, si ha cioè una macchia luminosa unica con distribuzione gaussiana di intensità. Il numero di modi longitudinali diminuisce con il decrescere della lunghezza della cavità (il massimo di lunghezza affinché il laser risulti unimodale è di 15 cm). Per una cavità ottica di 30 cm la separazione tra modi longitudinali adiacenti è di 500 MHz. La riga a 633 nm ha una banda di guadagno larga circa 1. GHz, e permette l'oscillazione di 1, o 3 modi. Spettro di emissione Nel laser He-Ne la larghezza naturale delle righe di transizione è circa 0 MHz. Le transizioni laser principali avvengono tra i livelli 4s e 5s del Ne e i livelli p sottostanti, con emissione delle lunghezze d'onda a - = 633 nm (rosso), - = m e - = m (infrarosso); un'altra transizione è a - = 543 nm (verde), di minor guadagno. Dalla Fig..1 si vede che le transizioni laser a 63.8 nm e m laser hanno in comune il livello laser superiore. La riga a m ha un allargamento Doppler circa 1/5 di quello della riga a 63.8nm, e di conseguenza ha un maggior guadagno laser. Per ottenere azione laser nella riga a 63.8 nm è necessario bloccare l'oscillazione laser a m, cosa che si ottiene usando specchi con bassa riflettività a m. La riga verde a nm ha un guadagno, però, solo circa 1/30 di quella della transizione a 63.8 nm. Sono pertanto necessari specchi con alta riflettività e perdite molto basse a nm. Potenza di uscita La riga a - = 633 nm presenta la più alta potenza possibile per i laser ad He- Ne (da 1 a 100 mw con lunghezze di tubo da 10 a 100 cm in funzionamento continuo) e, rispetto alle altre linee nel visibile, il miglior guadagno; per potenze laser da 1 a 5 mw la lunghezza tipica del tubo è di circa 15 cm, con gli specchi della cavità ottica pre-allineati e saldati a ciascuna estremità del tubo. Con la geometria all'angolo di Brewster si raggiungono potenze fino 100 mw. Per la riga a nm la potenza di uscita è circa 1mW. Le righe nell'ir presentano guadagni maggiori.. Il laser a vapori metallici Noti da più tempo sono quelli a elio-cadmio o a elio-selenio; in essi il metallo viene fatto evaporare riscaldando, tramite circolazione di corrente, un catodo. Questi laser lavorano nel blu e nell'ultravioletto e forniscono una sorgente relativamente economica di luce con lunghezza d'onda corta; si basano anch'essi sul fatto che l'elio funziona da serbatoio di energia. Più recenti sono i laser a vapori di rame e a vapori di 1/4

5 oro. Si tratta di laser di alta potenza, che lavorano intrinsecamente a impulsi. Funzionano nel visibile e trovano impiego ad esempio nelle lavorazioni di materiali e nella fotografia ultrarapida. Mezzo attivo E' costituito da atomi di un elemento metallico, allo stato di vapore. Nei laser a elio-cadmio o a elio-selenio il metallo viene fatto evaporare riscaldando, tramite circolazione di corrente, un catodo. Il ruolo dell'elio è quello stesso presente nel laser a He-Ne. Più recenti sono i laser a vapori di rame e a vapori di oro. Laser a He-Cd Mezzo attivo Nel caso del laser a Cd, l'azione laser avviene tra livelli del Cadmio ionizzato. +1 I livelli energetici rilevanti per l'he il Cd sono mostrati in Figura. $Þ L'eccitazione dei livelli laser superiori avviene principalmente per ionizzazione Penning da parte " degli atomi di He metastabili: L/ * G. î L/ G.. Energy ev 1 Helium Cadmium S 0 3 S 1 Penning ionization D 3/ 4d 9 5s Laser 35.0 nm Laser nm D 5/ 15 Electron collisions 4d 10 5s Cd + P 3/ P 5/ UV S 1/ 4d 10 5p S 0 4d 10 5s Cd 1 S 0 Figura.3 Livelli del laser a He-Cd Sistema di pompaggio Avviene tramite scarica elettrica nella miscela He-vapore di metallo. Tubo laser La lunghezza della scarica elettrica varia tipicamente da circa 5 a 75 cm, con corrente continua di circa 100 ma. Le distribuzione dei vapori di Cd nel tubo di scarica è controllato dal meccanismo della cataforesi. Quando il cadmio metallico è riscaldato e vaporizzato all'anodo, viene ionizzato dalla scarica elettrica e gli ioni +1 Cd migrano verso il catodo. Il Cd condensa sul catodo, più freddo. Una riserva di He è connessa al tubo per rimpiazzare il gas di He perso nella scarica. Potenza di uscita Un tubo di 75 cm produce un'uscita multimodale di potenza di circa 00 mw a nm e 100 mw a 35 nm. Vita media del tubo laser 1/5

6 E' limitata proncipalmente dal tempo in cui abbastanza Cd rimane nel serbatoio. Il problema pratico principale è quello di mantenere una distribuzione omogenea del vapore metallico nel tubo di scarica: gli ioni sono attratti dalle finestre fredde alle estremità del tubo, tanto che per evitare il ricoprimento delle finestre col Cd si suole posizionare delle trappole fredde prime delle finestre laser. Spettro di emissione Le righe principali, con funzionamento continuo, sono nel blue a nm e nell'uv a e Laser a vapori di rame e di oro L'emissione laser in vapori di rame (CVL) fu osservata la prima volta nel 1966, mentre il primo laser commerciale apparve intorno il Mezzo attivo E' costituito da vapori di Cu e di Au, i cui livelli energetici principali sono mostrati in Fig..4. Come si vede, i livelli laser sono molto vicini allo stato fondamentale, per cui il rendimento ottico risulta molto elevato: ne segue un rendimento laser complessivo di circa l'1%. I vapori di rame sono ottenuti per evaporazione di una pasticca di rame in un tubo di scarica in allumina operante a circa o 1500 C. Copper Energy (ev) Gold 5 P 3/ 1/ Laser transitions Yellow (578nm) P Green (511nm) 3/ D 5/ 3/ 1/ / D 5/ Red (68nm) Laser transitions UV (31nm) S 1/ ground state Figura.4 Livelli principali delle transizioni laser nei laser a vapori di rame e oro. Sistema di pompaggio Una larga inversione di popolazione si ottiene eccitando il vapore con un impulso veloce di corrente elettrica. Gli atomi di rame vengono eccitati preferenzialmente nelle configurazione elettroniche 3d104p ( P 0) piuttosto che in 9 quella 3d 4p (D). I livelli laser inferiori sono metastabili e la loro vita media 1/6

7 relativamente lunga impedisce il funzionamento in continua. Per questo motivo i laser a Cu e Au sono detti "auto-terminanti" ( self-terminant). Tubo laser Il tubo di scarica (Fig..5) è in allumina, e opera ad alta temperatura per o produrre la vaporizzazione del metallo, tipicamente circa 1500 C, ottenuta tramite la scarica elettrica. Il tubo è isolato termicamente da una camicia di vetro. Il circuito di scarica è innescato da un thyratron o da un interruttore a stato solido per produrre impulsi di corrente a frequenza di ripetizione di decine di khz. Il tubo contiene Ne come gas buffer alla pressione di 5-50 torr. Il diametro del tubo è mm. La testa del CVL è estremamente semplice e ciò conferisce al laser una lunga durata di funzionamento e eccellenti stabilità di potenza di emissione e qualità di fascio, qualità che ne favoriscono le applicazioni (per esempio nelle microlavorazioni di precisione). Rendimento Il laser a vapori di rame è interessante perchè ha un rendimento relativamente elevato (fino a 1%) per essere un laser nel visibile e si possono ottenere impulsi di alta potenza. Potenza di uscita Questi laser funzionano solo a impulsi, e la frequenza di ripetizione può essere molto levata (decine di khz). Spettro di emissione Il laser a vapori di rame emette righe nel verde a e nel giallo a 578. nm, mentre il laser a vapori di oro emette ha una riga nell'uv a 31 e una nel rosso a 68 nm (quest'ultima interessante per le applicazioni di fotomedicina). Figura.5 Diagramma schematico di una testa di CVL.3 Il laser a ioni In questi laser i livelli elettronici eccitati sono quelli degli ioni; si ha quindi una maggiore energia dei livelli coinvolti e un maggiore salto disponibile per la transizione laser. L'azione laser pulsata nell'argon fu scoperta nel Successivamente fu ottenuta azione laser in continua, e in altri gas nobili ionizzati. Vantaggi particolari di questi laser sono le elevate potenze CW nel visibile e UV, e il grande intervallo di lunghezze d'onda in regioni non disponibili in passato con altre sorgenti. Potenze tipiche CW a e 514.5nm sono di 1-0 W. Per la descrizione delle caratteristiche dei laser a ioni ci riferiremo al laser a argon, che è di gran lunga il 1/7

8 laser a ioni più sviluppato ed utilizzato. La Fig..6 mostra lo schema generale di un laser a ioni. Figura.6 Schema di un laser a ioni Laser ad argon Mezzo attivo E' costituito da ioni eccitati di gas nobile (tipicamente argon e krypton). Pertanto si ha una maggiore energia dei livelli laser coinvolti e un maggiore salto disponibile per le transizioni laser (emissione nel visibile e UV). La Fig..7 mostra lo schema semplificato dei livelli dell'argon relativi alle righe laser nel blue-verde. L'eccitazione degli atomi dal livello fondamentale al livello laser superiore richiede, nel caso dell'argon, circa 36 ev di energia. Questa energia è fornita tramite collisioni elettroniche. E' necessario usare alte densità di corrente per fornire il rate di collisioni richiesto. In questo processo potrà realizzarsi l'inversione di popolazione tra una o più coppie di livelli eccitati. Dopo che la transizione laser è avvenuta, lo ione si porta dal livello laser inferiore allo stato fondamentale dello ione emettendo un fotone di circa 70 nm. Questa transizione avviene molto rapidamente, così che la popolazione nel livello laser inferiore si mantiene molto bassa. La lunghezza d'onda a 70 nm cade nell'uv vuoto (VUV) ed è fortemente assorbita dalle parti del tubo laser esposte a questa radiazione. Tutta l'energia immessa nella scarica laser è assorbita dalla struttura del tubo laser. Poiché il rendimento di un laser a argon tipico è di circa lo 0.05%, un laser a argon di 5 W produce 10 kw di energia che viene sprecata nel tubo laser. La limitazione nella potenza generabile da un laser a ioni dipende dall'efficienza con cui questo calore viene rimosso. Un aumento della temperatura interna non degrada il processo laser come avviene nei laser a stato solido e nei laser molecolari, ma sono i componenti del laser a essere danneggiati da un riscaldamento eccessivo. La maggior inversione di popolazione si ottiene per le righe a 488 nm e nm, che hanno lo stesso livello laser inferiore. Quando si ha azione laser in una o in entrambe le righe, la popolazione del livello laser inferiore cresce notevolmente. Per le altre transizioni aventi questo stesso livello laser inferiore, avendo però anche minor popolazione nei loro livelli laser superiori di quelle delle righe più intense, accade che l'aumento di popolazione nel livello inferiore distrugge l'inversione di popolazione e la possibilità dell'azione laser. Per avere azione laser in queste righe più deboli è necessario bloccare l'azione laser in quelle più intense. Anche le due righe più intense hanno questa stessa competizione, e l'inibizione di una delle due porta a un aumento di emissione dell'altra. Sistema di pompaggio Il pompaggio avviene per scarica elettrica. Nel laser ad argon in CW sono necessarie correnti di scarica nel tubo molto elevate per fornire una velocità di eccitazione sufficiente poiché le transizioni laser nello ione coinvolgono stati eccitati con vite medie di pochi ns. Per raggiungere le volute densità di corrente, la scarica elettrica avviene in un tubo con piccolo diametro (capillare). Tubo laser 1/8

9 Dato il basso rendimento dei laser a ioni (circa %) è necessario dissipare nel tubo potenze di kw per mantenere la temperatura nei limiti necessari. + Ciò è dovuto in parte al fatto che le transizioni laser più comuni avvengono nell'ar, in livelli situati a circa 35eV, mentre i fotoni laser hanno energia di pochi ev. Un robusto raffreddamento del tubo laser è perciò richiesto, sia con acqua che con aria. Molti materiali e schemi di costruzione sono stati utilizzati per i laser a ioni. Tutti riflettono la necessità per il tubo laser di sopportare alte correnti elettriche e alte temperature interne. I criteri base sono i seguenti: 488nm 35 energy (ev) 4 Pumping (electron impact) 515nm fast radiative Ar + ground state 0 collisions Ar ground state Figura.7 Schema dei principali livelli del laser a A + * Il tubo deve resistere a carichi termici di circa 500 W/cm, prodotti in parte dal bombardamento ionico. Gli ioni ad alta energia erodono la maggior parte dei materiali del tubo molto rapidamente. * Gli ioni positivi sono attratti dal catodo, e quindi si realizza una distribuzione diseguale di pressione lungo il tubo. Cià riduce notevolmente la potenza laser e può portare al blocco completo dell'azione laser. Devono essere quindi introdotti dei canali di by-pass per equalizzare la pressione. * Gli elettrodi devono essere progettati per erogare correnti di scarica tipicamente di A e devono resistere al bombardamento elettronico e ionico. * La pressione del gas è ridotta di continuo per la perdita di ioni che si impiantano nella superficie interna del tubo. Va quindi previsto un opportuno sistema di rifornimento di gas. I primi laser a ioni usano tubi di quarzo raffreddati ad acqua. Il bombardamento ionico erodeva velocemente il tubo interno, riducendo il rendimento laser e distruggendo il tubo in qualche centinaio di ore di funzionamento. Un altro schema usato nei primi anni consisteva in un sistema con il gas in flusso e con il tubo realizzato da segmenti di tungsteno forati al centro per il passaggio della scarica e del fascio laser. Questo disegno aveva una vita media maggiore ma era inefficiente e inaffidabile. Un notevole impegno di ricerca tecnologica ha portato allo sviluppo di due tipi di tubo laser principalmente in uso nei laser a argon e krypton. Tubo in grafite 1/9

10 La Fig..8 illustra i componenti e il disegno di un tubo laser segmentato in grafite. La grafite può resistere alle temperature e al bombardamento ionico che si verificano nella scarica laser senza erosione significativa. Il contenitore esterno del tubo è fatto di quarzo fuso per resistere all'elevata differenza di temperatura tra i segmenti di grafite e l'acqua di raffreddamento che fluisce nella camicia esterna del tubo laser esterno. Ciascun segmento ha uno spessore minore di un centimetro, un foro al centro per la scarica e il fascio laser, e una serie di fori intorno al foro centrale per permettere il passaggio del gas (per il riequilibro della pressione). Figura.8 Schema di un tubo laser segmentato a grafite I segmenti sono impilati all'interno di un tubo di quarzo per formare il capillare laser, e il tubo di quarzo garantisce il corretto posizionamento e allineamento dei segmenti. In alcuni modelli, i segmenti sono sostenuti da bacchette di zaffiro, con isolatori tra essi. I segmenti centrali hanno un diametro costante, mentre quelli esterni hanno diametri crescenti per evitare di diaframmare il fascio laser oltre il necessario. La scarica è confinata tra i segmenti di grafite, che trasmettono il calore alle pareti esterne di quarzo. Tubo di ossido di berillio Il tubo a ossido di berillio (BeO) è stato sviluppato più recentemente ed è stato utilizzato nella maggior parte dei laser a ioni. La Fig..9 mostra uno dei segmenti di cui è costituito il tubo. Le dimensioni tipiche dei segmenti sono un centimetro in spessore e vari centimetri in lunghezza. I segmenti sono saldati tra loro con ceramica, una estremità del tubo è saldata a una sezione di quarzo contenente il catodo, che garantisce anche un volume di ballast e il collegamento alla valvola di riempimento del gas. L'altra estremità termina con una sezione metallica, che funge da anodo e da uscita per l'acqua di raffreddamento; a questa estremità è collegato un tubo di quarzo che alloggia la finestra ad angolo di Brewster e il by-pass per il ritorno del gas alla sezione catodo. I segmenti di BeO e la sezione del catodo sono racchiusi in una camicia di quarzo per il raffreddamento. Il tubo completo è mostrato in Fig..10. Figura.9 Segmento in ossido di berillio Sia i tubi in grafite che in BeO sono tuttora in uso corrente, ma il tubo in BeO offre maggiori vantaggi, quali * maggiore vita media del tubo * maggiore conducibilità termica (che assicura una conduzione termica più uniforme e un miglior trasferimento di calore al sistema criogenico) * maggiore durata di funzionamento senza bisogno di ricarica di gas 1/10

11 * maggior robustezza della struttura * maggior velocità di raggiungimento della potenza massima e maggior stabilità * ridotta erosione del tubo interno e minori problemi di pulizia del gas * minor peso del sistema e minor potenza richiesta per il magnete (solenoide), che risulta in un aumento nella potenza di uscita del laser a parità di potenza di ingresso al sistema. Figura.10 Tubo completo in BeO per laser a ioni Altre caratteristiche del tubo I tubi laser incorporano di solito altre caratteristiche di disegno per garantire il funzionamento appropriato. Un aumento della temperature del gas in un piccolo volume attivo dà luogo a notevoli cambiamenti di pressione che riducono la potenza laser di uscita. Si ovvia a questo effetto collegando il tubo ove avviene la scarica a un ballast di maggior volume e a minor temperatura. Perciò, il gas riscaldato si espande dal capillare a questo volume supplementare e la pressione cambia assai poco. La maggior parte dei tubi sono anche equipaggiati con una coppia di valvole che sono usate per aggiungere una dose stabilita di gas nel tubo laser al fine di mantenere l'appropriata pressione di lavoro. Il tubo di scarica è avvolto da un solenoide che produce un campo magnetico uniforme lungo l'asse ottico del tubo stesso. Le particelle cariche che si muovono lungo le linee di forza magnetiche non risentono di alcun effetto, mentre quelle che hanno traiettorie inclinate rispetto a tali linee sono forzate a compiere un moto a spirale attorno alle linee di forza del campo magnetico. Si ottiene un duplice risultato: in primo luogo gli ioni che si sarebbero allontanati dal centro del tubo vengono riportati verso il centro, riducendo così il bombardamento ionico delle parete del tubo, la corrosione del tubo e il carico termico del medesimo; in secondo luogo, il cammino a spirale degli elettroni è maggiore di quello rettilineo in assenza di campo, cosicché il numero di collisioni aumenta. La lunghezza dei tubi va da 50 a 00 cm, con correnti fino a 40 A. Spettro di emissione Nella figura.11 mostriamo lo spettro di uscita blue-verde di un laser a Ar+. Il risonatore ottico La maggior parte dei laser a ioni utilizza risonatori ottici emisferici a grande raggio di curvatura. Un tipico laser a argon da 5 W usa una cavità ottica di circa 1.5 m. Lo specchio ad alta reflettività è piano, e il raggio di curvatura dello specchio di uscita è di circa 4-5 m. Ciò produce un piccolo fascio all'interno del tubo laser mentre garantisce l'uso ottimale del volume attivo. Lo specchio ad alta riflettività ha un trattamento a banda larga con il 99.9% su tutto l'intervallo spettrale del blue e verde. Il trattamento dello specchio di uscita è invece ottimizzato per ogni riga laser. Valori tipici della trasmittività variano dall'1% al 4.5% per l'intervallo spettrale del laser. Il sistema di sintonizzazione più comune per selezionare una delle righe laser è quello di inerire in cavità un prisma, come mostrato in Fig..1. Il prisma è tagliato in modo che il fascio laser incida su entrambe le facce all'angolo di Brewster; per il quarzo fuso, l'angolo al vertice è di 78. Il prisma e lo specchio a alta reflettività sono 1/11

12 montati rigidamente tra loro, e vengono ruotati solidalmente per selezionare le varie righe e avere il funzionamento monoriga. Un etalon (ovvero, una lamina di vetro con facce piane e parallele a con trattamenti riflettenti opportuni) può essere inserito nella cavità ottica per ottenere il funzionamento del laser in un singolo modo longitudinale della cavità. Fig..11 Spettro di uscita blue-verde di un laser a Ar + Fig.. 1 Laser a argon con selettore di lunghezza d'onda a prisma I laser molecolari Vi sono diversi tipi di laser basati su transizioni tra livelli energetici elettronici, vibrazionali o rotazionali di molecole. Le transizioni rotovibrazionali dello stato elettronico fondamentale hanno lunghezze d'onda nel medio fino al lontano IR ( m). La ridotta energia dei livelli energetici coinvolti in queste transizioni porta a un elevato valore del rendimento quantico e a un efficiente meccanismo di eccitazione: tutto ciò produce un rendimento complessivo per questi laser assai alto. Si ottengono, infatti, potenze laser continue di molti kw e energie per impulsi di centinaia di J. Il laser molecolare più diffuso è quello ad anidride carbonica, CO, che oscilla a m e a altre lunghezze d'onda nella regione m; altri esempi sono il laser a CO a m e il laser chimico a HF con emissione a m. Quando fu scoperto (1964) il laser a CO erogava poca potenza. Poi ci si è accorse che, aggiungendo azoto, si aveva un incremento di potenza, che risultava ancora maggiore con l'aggiunta di elio. Transizioni molecolari tra livelli vibrazionali appartenenti a differenti stati elettronici producono righe laser nell'uv, come nel caso del laser a N laser a nm. Una classe di laser molecolari con emissione nell'uv è rappresentata dai laser a eccimeri, in cui la specie molecolare è instabile (come le molecole di ga nobile o di alogenuri di gas nobili). Un'ulteriore classe di laser molecolari è quella in cui le transizioni appartengono allo stesso stato vibrazionale (ed elettronico), con grandi lunghezze d'onda, nel lontano IR (FIR), da 5 µm a 1mm. Esempi sono il laser a HCN laser (lunghezze d'onda 337. m) e il laser a H O (lunghezze d'onda 8, m). / 1/1

13 .4 Laser a biossido di carbonio Mezzo attivo E' costituito da una miscela di He, N e CO. I livelli energetici d'interesse per l'azione laser sono mostrati in Fig..13. Innescando una scarica elettrica in una o miscela di CO, N e He si ottiene l'eccitazione del livello laser superiore 00 1 della molecola di CO per urto elettronico o per trasferimento risonante di energia a seguito di urto con una molecola di N eccitata nello stato vibrazionale eccitato (v = 1). Figura.13 Livelli energetici del laser a CO Questo livello è eccitato efficientemente dalla scarica elettrica e ha vita media lunga (metastabile). Il ruolo dell'he è quello di diseccitare il livello laser inferioreß controllare la temperatura nella scarica, stabilizzare il plasma e raffreddare le molecole di CO conducendo il calore alle pareti del tubo di scarica. Figura.14 Laser commerciale a flusso assiale veloce Si può anche raffreddare la miscela in modo termodinamico, facendo fluire la miscela stessa a velocità molto elevate. Il raffreddamento della miscela è fondamentale per il funzionamento del laser. Numerose sono le configurazioni utilizzate con i laser a CO. Laser a flusso assiale lento: la miscela viene fatta fluire assialmente nel tubo in cui si instaura la scarica elettrica di pompaggio, in modo da rimuovere i prodotti di dissociazione. Laser a flusso assiale veloce: questa geometria consente di rimuovere più efficamente il calore generato nel tubo e di ottenere potenze laser molto elevate. Il gas caldo viene 1/13

14 raffreddato passando in uno scambiatore di calore. La figura.14 mostra un laser commerciale. Laser a flusso trasverso: in questa geometria il flusso del gas, la direzione della scarica e quella del fascio laser sono perpendicolari tra loro; il sistema è compatto e si presta a generare potenze continue multikilowatt. Come si vede dalla figura.15, il fascio laser fa passaggi multipli attraverso la zona interessata dalla scarica elettrica. Figura.15 Laser a flusso trasverso (1. Laser beam. Tangential blower 3. Gas flow direction 4. Heat exchanger 5. Rear mirror 6. Fold mirror 7. HF-electrodes 8. Output mirror 9. Output window) Laser a tubo sigillato: questo tipo di laser ha la struttura convenzionale dei laser a gas, è costituito da un lungo e stretto tubo di vetro, riempito con la miscela di gas per l'azione laser, alle cui estremità sono posti i due elettrodi per eccitare la scarica elettrica. La cavità ottica è costituita da uno specchio totalmente riflettente e da uno specchio parzialmente trasmittente, usualmente realizzati di metallo lavorato otticamente e di seleniuro di zinco, rispetivamente. Il tubo è chiuso alle estremità con due finestre poste all'angolo di Brewster. La Figura.16 mostra lo schema del laser. Poichè la scarica elettrica dissocia le molecole di CO, per garantire il funzionamento del laser a lungo si provvede a dotare il laser di sistemi per la rigenerazione del CO, che consentono durate di varie migliaia di ore. Laser TEA (Transversely excited atmospheric): questa geometria è stata concepita per per ottenere elevate energie per unità di volume di gas, aumentando quindi la pressione fino a un'atmosfera e oltre; la scarica è trasversa rispetto all'asse ottico, in modo da non richiedere valori proibitivi di tensione, e deve eccitare il più uniformemente possbile il gas e non formare archi. L'alimentazione non è continua per evitare, appunto, l'innesco di archi, quindi si opera ad impulsi di forte potenza e di breve durata, preionizzando il gas, ad esempio con raggi ultravioletti. La Figura.17 mostra lo schema di un laser TEA. 1/14

15 Figura.16 Schema di un laser CO sigillato Laser gas dinamici: in questi laser la miscela di CO e N è portata alla pressione di circa 0 atmosfere e riscaldata fino a 000K. A questa temperatura i livelli laser superiore e inferiore CO sono sostanzialmente popolati. La miscela viene, quindi, fatta espandare rapidamente attraverso un ugello fino a una pressione di 60 mbar tale che la temperatura scenda sotto 400 K. La vita media del livello laser inferiore è inferiore a quella del livello superiore, per cui questo livello si svuota più velocemente dell'altro e si realizza così una elevata inversione di popolazione. Inoltre, anche l'azoto sarà eccitato a un livello vibrazionale superiore, e dopo l'espansione avrà elevata probabilità di trasferire l'eccitazione al livello laser superiore del CO. Fig..17 Schema di un laser TEA Fig..18 Schema di un laser a guida d'onda Laser a guida d'onda: rappresentano una forma molto compatta di laser a COsigillato: la radiazione laser si propaga per riflessione totale all'interno di una guida d'onda dielettrica, a sezione rettangolare, che costituisce il tubo laser; la 1/15

16 pressione del gas può essere elevata a 50 mbar e l'eccitazione è a radiofrequenza. Un laser con lunghezza di 50 cm può generare potenze fino a 50 W continui..5 Il laser ad azoto Concepito per la prima volta circa tre decenni fa, il laser a molecole d'azoto fu uno dei primi laser a raggi ultravioletti ad essere realizzato e fu commercializzato nel 197. Rapidamente divenne un'insostituibile sorgente di pompaggio per laser a coloranti. Nonostante sia stato surclassato per prestazioni e livelli di potenza dal laser ad eccimeri e dal laser al neodimio (con la disponibilità in uscita di una terza e quarta armonica), la semplicità, il basso costo e la compattezza lo rendono importante in applicazioni con laser a raggi ultravioletti ad impulsi. Il laser ad azoto, operando a pressione atmosferica, produce impulsi dell'ordine del nanosecondo o inferiore. La lunghezza d'onda di 337 nm è un'eccellente eccitazione per laser a coloranti e provoca fluorescenza in molti materiali, permettendone lo studio con un laser associato ad un microscopio. Il mezzo attivo è il gas d'azoto, di solito puro, a pressioni comprese tra 0 Torr e 1 atm. Il laser a azoto è un esempio di un laser a 3 livelli. La vita media del livello laser inferiore è 40 ms, più lunga di quella del livello laser superiore (40 ns), per cui l'innescarsi dell'azione laser riempie velocemente il livello inferiore, annullando l'inversione di popolazione e quindi l'emissione laser (laser a "auto-spegnimento", come per i laser a vapori metallici). Per avere azione laser è necessario usare una scarica elettrica molto veloce. La rapida popolazione e il veloce decadimento del livello superiore permettono un guadagno molto alto, evitando così la necessità di un risonatore ottico di alta qualità. Un'eccitazione trasversale molto rapida permette di lavorare a pressione atmosferica producendo impulsi di durata dell'ordine del ns e subns; pressioni più basse permettono impulsi un po' più lunghi. A differenza di altri laser a gas, il laser ad azoto non richiede un'elevata purezza del gas; infatti alcuni modelli commerciali lavorano in aria, che è costituita per il 78% da azoto..6 Laser a Eccimeri Il termine eccimero indica "dimero eccitato", cioè una molecola, composta da due specie chimiche, che esiste solo nello stato eccitato mentre nello stato fondamentale non risulta legata chimicamente. Nel senso più generale, indica una molecola biatomica o triatomica esistente soltanto nello stato eccitato. Le molecole Xe e He sono un classico esempio di eccimeri. Queste infatti, una volta formatesi, tendono a decadere liberando energia; ritornano così allo stato energetico basso (non eccitato) ed alla configurazione di atomi indipendenti. Sfruttando questa transizione tra stato eccitato e stato non eccitato è possibile far funzionare un laser. Appena avvenuta la transizione, la molecola si trova in uno stato repulsivo e si dissocia, portando ad un'automatica depopolazione del livello laser inferiore, e rigenerando il gas raro e l'alogeno. È interessante notare che in questi laser si riesce a mantenere l'inversione di popolazione praticamente fino a quando l'ultimo eccimero non si scinde. Il primo a laser ad eccimeri risale al 1970 e utilizzava Xe liquido eccitato da un fascio elettronico; nel 197 fu ottenuta azione laser dal gas Xe, seguita poi, nel 1975, dall'azione laser negli alogenuri di gas nobile, XeBr e XeF. Gli eccimeri più utilizzati sono gli alogenuri di gas nobili, dove atomi di argon, kripton, xenon, si combinano, nello stato eccitato, con alogeni quali cloro, fluoro... Il mezzo attivo nei laser ad eccimeri è solitamente una miscela di un gas raro 1/16

17 (1-9%), di un alogeno (0.1-0.%) e di un gas tampone, quale elio o neon (in misura del 90-99%), per mediare il trasferimento di energia. Un impulso preliminare di eccitazione produce atomi liberi dell'alogeno. Successivamente l'impulso principale di eccitazione stimola gli atomi del gas raro a reagire con gli atomi già eccitati dell'alogeno. Si formano così le nuove molecole eccitate, gli eccimeri. Nei laser ad eccimeri il tubo laser è progettato in modo da permettere l'uso di diverse miscele di gas. Durante il funzionamento laser la miscela di gas del laser si degrada, a causa principalmente dell'alta reattività degli alogeni. Si devono perciò far fluire dei nuovi reagenti nel tubo. Gas esaurito alla pompa a vuoto Alimentazione ed elettroniche di commutazione specchio posteriore filtro alogeni acqua raffreddamento elettrodo principale Regione di scarica del laser ottiche di uscita serbatoio del gas scambiatori di calore ventilatore cilindrico Entrata dei gas modulo per la miscelazione del gas Raggio laser Fig..19 Schema di un tipico dispositivo laser ad eccimeri Fig..0 alcuni laser a eccimero 1/17