LASER. Processi di pompaggio

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1 LASER Processi di pompaggio

2 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)

3 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.

4 2) Pompaggio mediante lampade flash - usato nei laser a stato solido

5 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 %

6 Efficienza laser Efficienza laser: η L = energia ottica dell emissione laser energia elettrica

7 Efficienza laser

8 Efficienza di diversi laser

9 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

10 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 (CO 2, CF 4, NOCl, SF 6, NH 3, 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

11 Eccitazione tramite pompaggio ottico Schemi per realizzare inversione di popolazione tramite pompaggio ottico: a) Laser a 3 livelli: pompaggio jk e inversione ki E k > E i >> E j + kt (i livelli k e i non sono popolati prima del pompaggio) Condizione per funzionamento in onda continua: (N j0 N i0 ) τ ij -1 > (N i0 N k0 )τ ki -1 N i0, N j0, N k0 popolazioni di equilibrio prima del pompaggio τ ij, τ ki tempi di diseccitazione caratteristici. b) Schema con 3 livelli invertita E k >> E j + kt > E Condizione per funzionamento in onda continua: (N s0 N k0 ) τ ks -1 > (N j0 N s0 )τ sj -1 Questo schema e più difficile, meno efficiente, e quindi meno utilizzato. Laser Pompa Pompa Laser

12 Eccitazione tramite pompaggio ottico 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 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 ottico richiede 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.

13 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 ν p potenza assorbita in unità di volume di gas: W [s -1 ] velocità di pompaggio supponendo che il livello superiore è nepopolato hν p 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 I ν [Wm -2 ] alla frequenza ν p. σ [m 2 ] sezione trasersale dell assorbimento

14 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 E νp [Jm -3 ] dove: c velocità della luce - efficienza di conversione energetica Efficienza di conversione energetica: λ p η = δ = 2 λ E E p δ E/Ep - Efficienza di estrazione p, - lunghezza d onda della radiazione di pompaggio, rispettiv. radiazione emessa da laser E p, 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 pompaggio L lunghezza del camino di assorbimento N numero efettivo di pasaggi della radiazione di pompaggio nel laser Esempio: pompaggio del laser a CF 4 con il laser a CO 2 (riga 9R(12) della banda 9,4 µm), - per = 1,1x10-4 cm -1 torr -1, p = 3,5 torr è necessario che L = 3,5 m; - per = 16,26 µm

15 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 J/K). A* + B A+B* + E Un metodo efficiente per pompare la molecola di CO 2 : N 2 *+CO 2 N 2 +CO 2 * + 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 urto N A popolazione dello stato superiore della specie A N B popolazione dello stato inferiore della specie B v velocità relativa dei 2 atomi

16 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: Esempi: A* + BC A + BC* + E - 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): Esempio: A* + BC A + B* + C* + E - Hg* + CH 2 CF 2 Hg + CHCF + HF* + E

17 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 - E c A, A* - atomo, molecola o ione in stato fondamentale, rispettivamente eccitato E c - energie cinetica rilasciata dall elettrone in scarica Gli urti possono essere: - elastici (E c del e - non si modifica, e - cambia solo la sua direzione) non contribuiscono all eccitazione) - inelastici (E c 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.

18 Eccitazione tramite urti elettronici Eccitazione del mezzo laser con un fascio di e - monoenergetici collimato: densità delle specie atomiche sullo stato fondamentale flusso di e - (elettroni/scm 2 ) densità di e - velocità dei e - sezione trasversale d urto la variazione nel tempo della popolazione su livello N 2 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, v D velocità di drift, e - carica elettrica)

19 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). E A E B 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 -

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

21 Regimi di funzionamento di un laser I 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 τ p. Il modo più semplice di generare impulsi è interompere periodicamente un fascio laser continuo con un otturatore comandato o un disco rotativo con buchi. Potenza [w] Potenza [w] Regime continuo Tempo [s] Tempo [s] Regime impulsato ottenuto interompendo periodicamente un fascio continuo

22 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. T p periodo τ p durata del impulso f r frequenza di ripetizione P p potenza di picco P AV potenza media Potenza [w] P AV T p 1 f p = P = P AV p r τ T p Tempo [s]

23 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. τ p ~ 10-4 s Essempio: il laser a CO 2 con superpolso ha potenza di picco di centinaia di W, rispetto 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 E T p δ = δ [ 0,1] τ p f r spento continuo

24 Regimi di funzionamento di un laser

25 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). Potenza [W] P p τ p ~ 10-9 s Q fattore di qualità della cavità (comuta da un valore minimo a un valore massimo) Tempo [s]

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

28 Classificazione dei laser Secondo il materiale attivo: Altre comuni classificazioni del laser secondo: (UV, IR, VIS)

29 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.

30 LASER a gas il grande numero,solo

31 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.

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

33 LASER a gas eccimeri

34 LASER a gas eccimeri

35 Tipi di laser a gas Mezzo e tipo di amplificazione laser Laser a elio-neon Laser ad argo Laser al kripton Laser a ioni di xeno Lunghezza d'onda operativa Sorgente di pompaggio Usi e note nm (543.5 nm, nm, nm, µm, 1.52 µm, µm) nm, nm, nm (351 nm,457.9 nm, nm, nm, nm, nm) 416 nm, nm, nm, nm, nm, nm, nm Molte righe spettrali dall'ultravioletto fino all'infrarosso. Scarica elettrica Scarica elettrica Scarica elettrica Scarica elettrica Laser ad azoto nm Scarica elettrica Laser ad anidride carbonica Laser a monossido di carbonio Laser a eccimeri 10.6 µm, (9.4 µm) Scarica elettrica trasversale (alta potenza) o longitudinale (bassa potenza) 2.6 to 4 µm, 4.8 to 8.3 µm Scarica elettrica 193 nm (ArF), 248 nm (KrF), 308 nm (XeCl), 353 nm (XeF) Ricombinazione di eccimeri con una scarica elettrica Interferometria, olografia, spettroscopia, scansione di codici a barre, allineamento, dimostrazioni ottiche. Fototerapia retinica (per diabete), litografia, microscopia confocale, pompaggio di altri laser. Ricerca scientifica, mescolati con argo per ottenere laser a luce bianca per giochi di luci. Ricerca scientifica. 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. Lavorazione di materiali (taglio, saldatura, etc.). Chirurgia. Lavorazione di materiali (incisione, saldatura etc.), spettroscopia fotoacustica. Litografia ultravioletta per fabbricazione di circuiti integrati, chirurgia laser, LASIK.

36 Schema di principio di un LASER a stato solido

37 LASER a stato solido - Titanio:Zaffiro

38 LASER a stato solido - Neodimio

39 Tipi di laser a stato solido Mezzo e tipo di amplificazione laser Lunghezza d'onda operativa Sorgente di pompaggio Laser a rubino nm Lampada stroboscopica Laser Nd:YAG Laser Er:YAG 2.94 µm µm, (1.32 µm) Laser Nd:YLF e µm Laser Nd:YVO µm diodo laser Laser Nd:YCOB (Nd:YCa 4 O(BO 3 ) 3 ) Laser Neodimio-vetro (Nd:Glass) ~1.060 µm (~530 nm alla seconda armonica) ~1.062 µm (vetri ai silicati), ~1.054 µm (vetri ai fosfati) Laser titanio-zaffiro (Ti:zaffiro) nm Lampada stroboscopica, diodo laser Lampada stroboscopica, diodo laser Lampada stroboscopica, diodo laser diodo laser Lampada stroboscopica, diodo laser Altri laser Laser Tm:YAG (Tm:YAG) 2.0 µm diodo laser Lidar. Laser itterbio:yag (Yb:YAG) 1.03 µm Diodo laser, lampada stroboscopica Usi e note Olografia, rimozione di tatuaggi. Il primo tipo di laser a luce visibile inventato (Maia 1960). 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) Scalatura periodontale, odontoiatria Generalmente usato per il pompaggio impulsivo di certi tipi di laser Ti:zaffiro, combinato con duplicatori di frequenza. 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. 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. 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. 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. 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.

40 Laser a semiconduttore - diodo

44 Tipi di laser a semiconduttore Mezzo e tipo di amplificazione laser Diodo laser a semiconduttore (informazioni generiche) Lunghezza d'onda operativa µm, a seconda del materiale della regione attiva. Sorgente di pompaggio Usi e note Telecomunicazioni, olografia, stampa laser, armamenti, macchinari, saldatura, sorgenti di pompaggio per altri laser. GaN 0.4 µm Dischi ottici AlGaAs 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 µm Corrente elettrica Telecomunicazioni, pompaggio di altri laser a stato solido, lavorazioni industriali, applicazioni mediche. sali di piombo 3-20 µm Vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) Laser a cascata quantica Laser ibridi al silicio nm, a seconda del materiale Dal medio al lontano infrarosso. Medio infrarosso Telecomunicazioni Ricerca, applicazioni future includono radar anticollisione, controllo di processi industriali e strumenti di diagnosi medica come analizzatori del fiato. Ricerca

45 Schema di principio di un LASER con colorante

46 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

47 ULTRAVIOLETTO Nd:YAG quinta armonica Nd:YAG quarta armonica Nd:YAG terza armonica Laser con emissione nell UV 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 N 2 (337 nm) implusati. λ min in emissione continua: He-Cd (325 nm).

48 continuo impulsato Laser con emissione nel visibile

49 elettroni Laser con emissione nell IR