Principali tipologie di laser. Filippo Pigozzo Corso di Lasers e fibre ottiche Progetto di Formazione Waterfall 2008

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1 Principali tipologie di laser Filippo Pigozzo Corso di Lasers e fibre ottiche Progetto di Formazione Waterfall 2008

2 Tipi di laser 2 Esistono molteplici tipi di laser a seconda del tipo di mezzo attivo utilizzato. Alcuni di questi sono: Lasers a cristalli ionici (detti anche allo stato solido). Lasers a gas (neutri, ionizzati, molecolari, eccimeri). Lasers a coloranti organici (accordabili). Lasers a giunzione (il futuro).

3 Lasers a cristalli ionici (1/3) 3 Il mezzo attivo è uno degli ioni componenti un cristallo ionico. Fanno parte di questa categoria il laser: A rubino: emette a nm (rosso), il rubino è una pietra preziosa naturale composta da un cristallo di Al2O3 (corindone) in cui lo ione Cr3+ sostituisce lo ione Al3+ in alcuni punti del reticolo cristallino, è lo ione Cr3+ ad essere il materiale attivo. Lavora in regime di onda continua (CW), impulsato, Q-switch e aggancio di fase. Ad alessandrite: permette un'emissione a lunghezza d'onda variabile nell'intervallo nm, (visibile infrarosso) l'alessandrite è un cristallo dove lo ione Cr3+ sostituisce nuovamente lo ione Al3+, ma in un cristallo di BeAl2O4.

4 Lasers a cristalli ionici (2/3) 4 Fanno parte di questa categoria il laser: (continua) A Nd (neodimio): emette a 1064 nm (infrarosso) se il Nd è inglobato in un cristallo di Y3Al5O12 (chiamato comunemente YAG) e 1060 nm (infrarosso) se il supporto è invece vetro. Quest'ultima soluzione è più economica anche se non è possibile raggiungere alte potenze per la bassa conducibilità termica del vetro. Il laser lavora in regime di onda continua (CW), impulsato, Q-switch e aggancio di fase, quest'ultima modalità è molto interessante perché l'elevata banda del materiale attivo permette di ottenere potenze di picco maggiori di 1015 W ( GW!) in impulsi di circa 1 ps.

5 Lasers a cristalli ionici (3/3) 5 I laser a cristalli ionici risultano: Affidabili perché si utilizzano componenti allo stato solido. Compatti con elevata miniaturizzazione della testa laser, soprattutto se sono pompati con diodi laser.

6 Lasers a gas (1/8) 6 Si dividono in 4 sottocategorie: Neutri Ionizzati Molecolari Eccimeri Il mezzo attivo è uno dei componenti di un gas, la miscela di vari elementi viene talvolta utilizzata per favorire il processo di pompaggio, allungare la vita del laser e favorire la dissipazione del calore.

7 Lasers a gas (neutri) (2/8) 7 Nei laser a gas neutri non si ha la formazione di ioni. Fanno parte di questa categoria il laser a He-Ne e i lasers a vapori atomici neutri di Pb, Cu (emette sul verde 510 nm e giallo 578 nm), Au (emette sull'arancio 628 nm), Ca, Sr e Mn. Sono tutti lasers ad autospegnimento.

8 Tavola periodica 8

9 Lasers a gas (ionizzati) (3/8) 9 Nei laser a gas ionizzati l'elemento o uno degli elementi del gas è ionizzato, questo comporta un aumento dell'energia (di ionizzazione) e quindi i fotoni prodotti sono più energetici. Poiché E=hν la frequenza del laser risulta maggiore, infatti questi laser possono emettere anche nell'ultravioletto. Fanno parte di questa categoria: Il laser ad Ar+: oscilla in una serie di lunghezze d'onda; le più intense sono 488 nm (blu) e nm (verde). Può lavorare in regime di CW. Il laser a Kr+: oscilla in una serie di lunghezze d'onda; la più intensa è nm (rosso). Può lavorare in regime di CW.

10 Lasers a gas (ionizzati) (4/8) 10 Fanno parte della categoria dei laser a gas ionizzati anche i laser a vapori metallici ionizzati, dove il mezzo attivo non è un gas, ma vapori di metallo. I vapori possono essere di Sn, Pb, Cd (emette a 441 nm e 325 nm, entrambi nell'ultravioletto) e il Se (che dà azione laser praticamente in tutto lo spettro visibile). Il gas più comune per contenere i vapori è l'he.

11 Lasers a gas (molecolari) (5/8) 11 Nei laser a gas molecolari si utilizzano intere molecole eccitate come sorgenti di fotoni. Fanno parte della categoria dei lasers a gas molecolari: Il laser a CO2: l'anidride carbonica è il mezzo attivo, il gas è composto da una miscela di CO2, N2 ed He che entrambi agevolano il pompaggio, è di gran lunga il laser più potente, raggiunge potenze delle decine di KW (chilowatt) in CW ed un'efficienza del 10-20%, emette nel medio-lontano infrarosso μm). Il laser a CO: ha grandissima efficienza, circa il 60% e potenza di uscita fino a 100KW. Il laser a HCN (acido cianidrico): permette oscillazione fino a 1224 μm, un valore superiore al millimetro dove esistono alcuni oscillatori elettronici.

12 Lasers a gas (molecolari, vibrogeni) (6/8) 12 Fanno parte della categoria dei laser a gas molecolari i laser detti a gas vibrogeni che emettono nel visibile e nell'ultravioletto. Fanno parte di questa categoria: Il laser a N2: emette a 337 nm nell'ultravioletto, è un laser ad autospegnimento e può operare con potenze di picco di 1 MW in impulsi larghi 3-10 ns con frequenza di ripetizione degli impulsi fino a 100 MHz. Lavora a regime impulsivo. Il laser H2: emette a 160 nm nel lontano ultravioletto.

13 Lasers a gas (molecolari, eccimeri) (7/8) 13 Un'interessante sottocategoria dei lasers a gas molecolari è quella dei laser detti ad eccimeri dove un gas nobile (Ar, Kr, Xe) si combina nello stato eccitato con un atomo di un alogeno (F, Cl) per formare un composto gas nobile-alogenuro chiamato eccimero. Emettono nell'ultravioletto e sono accordabili su uno spettro abbastanza elevato. I lasers sono ad autospegnimento e si riescono ad ottenere potenze di picco dell'ordine dei 100 W in impulsi dell'ordine delle decine di ns con frequenze di ripetizione fino a 1 KHz ed efficienze dell'ordine di alcuni %.

14 Lasers a gas (molecolari, eccimeri) (8/8) 14 Fanno parte di questa categoria: Il laser a ArF*: emette a 193 nm (ultravioletto). Il laser a KrF*: emette a 248 nm (ultravioletto). Il laser a XeCl*: emette a 308 nm (ultravioletto). Il laser a XeF*: emette a 351 nm (ultravioletto).

15 Lasers a coloranti (1/1) 15 Il mezzo attivo è un composto dalla soluzione di opportuni composti organici (coloranti) in liquidi (alcool etilico, metilico o acqua). I composti organici sono molecole complesse, tuttavia il laser è di facile costruzione. La proprietà più interessante di questi lasers è che dato un tipo di colorante, i laser è accordabile in una banda di circa 10 nm, mentre cambiando il colorante è possibile invece ottenere sorgenti in tutto lo spettro visibile. A seconda del tipo di colorante i lasers possono lavorare in CW o solo in regime impulsato.

16 Lasers a giunzione (1/1) 16 In questi lasers non si può più parlare di mezzo attivo, ma si deve parlare di regione attiva che si localizza nella regione di svuotamento (giunzione) tra due semiconduttori, uno di tipo P ed uno di tipo N. Le potenze ottenibili sono dell'ordine del Watt. Sono lasers con efficienza fino al 70% (sono i lasers ad efficienza maggiore). Sono molto compatti e permettono una configurazione ad array (più lasers in parallelo tra di loro accordati per ottenere potenze d'uscita superiori). Coprono ormai quasi tutte le lunghezze d'onda del visibile e dell'infrarosso. Sono i lasers più venduti.

17 sers Alcuni esempi di laser 17

18 18

19 Laser a He-Ne (1/11) 19 E' di gran lunga il laser più popolare, è stato il più venduto fino agli anni '90 quando per applicazioni di volume è stato soppiantato dal diodo laser rosso. Tuttavia per moltissime altre applicazioni continua ad essere richiesto, soprattutto se emette fuori dal rosso. E' un laser a quattro livelli (si vedrà più avanti in questo corso cosa significa). Tipicamente lavora in regime di CW ed emette a nm (95% dei lasers venduti) anche se vengono commercializzati lasers che emettono dal verde all'infrarosso. Tipici lasers a He-Ne Lunghezza d'onda Range di potenza [nm] [mw] , ,8 0, , ,1 0, ,5 0,1 3

20 Laser a He-Ne (2/11) 20 Ha la vita operativa più lunga in assoluto, tra le e le ore di lavoro continuo. Il suo costo in volume si aggira sui 50 euro, la singola unità al massimo un migliaio di euro. Lo contraddistingue anche la qualità del fascio generato (nessun laser riesce a raggiungere con la stessa facilità le sue prestazioni) che risulta avere un profilo d'intensità vicino ad una gaussiana perfetta.

21 Laser a He-Ne (3/11) 21 Una delle chiavi del suo successo è la semplicità costruttiva. Il gas è contenuto in un tubo di vetro (borosilicate glass) che viene chiuso ai capi in modo da sigillare al suo interno gli elettrodi e montare i due specchi. All'interno del tubo vi è una camera cilindrica (bore) dove avviene il pompaggio e quindi il gas si comporta come un materiale attivo.

22 Laser a He-Ne (4/11) 22 La camera cilindrica è attaccata da un lato al bordo del tubo e dall'altro è sostenuta da una struttura metallica a forma di ragno (spider) che stabilizza la camera e permette l'espansione termica. Gli specchi sono montati direttamente alle estremità del tubo di vetro tramite una vetrificazione che sigilla ermeticamente il tubo. Il catodo è formato da un manicotto di alluminio ossidato mentre l'anodo è montato insieme allo specchio.

23 Laser a He-Ne (5/11) 23 Una corrente continua di bassa intensità produce l'eccitazione. Il Ne (neon) è il mezzo attivo mentre l'he (elio) permette di pompare più efficacemente il Ne (in sostanza il neon viene portato ad uno stato eccitato tramite collisioni con gli atomi di He). E' importante mantenere la giusta miscela di He e Ne perché è un fattore critico nelle performances ottenibili dal sistema.

24 Laser a He-Ne (6/11) 24 Poiché la scarica è a bassa corrente e alto voltaggio (la caratteristica di queste scariche è di essere molto spendenti) non vi è praticamente erosione della camera cilindrica (bore) per effetto degli elettroni che incidono sulle pareti e questo contribuisce all'elevata vita operativa del laser. Il calore sviluppato viene dissipato attraverso il vetro nell'ambiente circostante. Generalmente il tubo è montato in una camicia (sleve) di alluminio che lo protegge e favorisce la dissipazione.

25 Laser a He-Ne (7/11) 25 La vita operativa del laser finisce in genere per l'esaurimento dello strato di ossido che ricopre il catodo. Questo non è funzione solo dell'intensità della corrente di scarica, ma anche della vicinanza del catodo dalla camera cilindrica (bore) perché risulta essere più piccola la porzione di catodo utilizzata e quindi l'esaurimento locale dell'ossido è più veloce. Sono infatti i tubi più grossi (1-2 pollici di diametro) ad avere vita operativa fino a ore, mentre quelli più piccoli (diametro inferiore al pollice) hanno una vita operativa di ore o meno.

26 Laser a He-Ne (8/11) 26 Le tipiche applicazioni dell laser a He-Ne sono: Allineamento. Strumentazione di analisi. Reprographics (Riproduzione grafica: fotocopiatrici laser, sensibilizzazione di matrici per stampa offset, xerografia ad alta velocità). Lettori di codici a barre.

27 Laser a He-Ne (9/11) 27 Il laser a He-Ne rimane ancora preponderante come sorgente stabilizzata a basso costo per olografia, calibrazione di lunghezza d'onda e misure interferometriche. Questo è possibile grazie alle doti di stabilità del laser a He-Ne: Si ricordi che 1 MHz di variazione di frequenza a 632 nm corrisponde a una variazione di lunghezza d'onda pari a nm!!

28 Laser a He-Ne (10/11) 28 La vita operativa del laser a He-Ne si stima sia ancora di circa 10 anni quando verrà sostituito dai diodi laser. Tuttavia il laser a He-Ne è ancora il laser più diffuso al mondo. Questo è dovuto principalmente a: 1. La qualità del fascio prodotta è superiore a quella del diodo laser che soffre di astigmatismo con differenti larghezze del fasci sui due piani ortogonali e piani focali differenti, solo con complessi (costosi) sistemi di condizionamento è possibile ottenere profili soddisfacenti per certe applicazioni (per es. interferometria o olografia). 2. La stabilità in frequenza è ottima, la banda in cui il gas è attivo non varia con la temperatura di utilizzo e quindi è necessario solamente compensare la deformazione della cavità, i diodi laser invece devono essere controllati in temperatura (ulteriori costi) perché la lunghezza d'onda emessa varia anche di alcuni nm.

29 Laser a He-Ne (11/11) La vita operativa del laser a He-Ne è di decine di migliaia di ore e la struttura risulta ragionevolmente robusta, il diodo laser invece è delicato, soprattutto per quanto riguarda le cariche elettrostatiche che possono ridurne drasticamente la vita operativa. 4. Le dimensioni del diodo laser sono intrinsecamente più piccole anche con l'applicazione delle ottiche per migliorarne il fascio e il sistema di raffreddamento. 5. Entrambe le tipologie di laser possono operare alimentati da batterie, tuttavia il diodo laser consuma e dissipa meno potenza. 6. Un diodo laser costa intrinsecamente meno di un laser a He-Ne, tuttavia le ottiche aggiuntive e i dissipatori aumentano il suo costo finito. In certe applicazioni con bassi e medi volumi prodotti il laser a He-Ne risulta essere ancora economicamente conveniente.

30 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (1/12) 30 Sono lasers ad alta potenza. Possono lavorare in regime CW Come i lasers a He-Ne il cuore del laser è un tubo cilindrico contenente Ar o Kr a bassa pressione o una miscela dei due. I due lasers emettono su molte lunghezze d'onda, le più luminose sono 448 nm e 514,5 nm per il laser ad Ar e 647,1 nm per quello a Kr. Il laser ad Ar è più efficiente ed emette 2-3 volte la potenza dal laser a Kr. Con opportuni accorgimenti si possono ottenere lunghezze d'onda nel lontano ultravioletto. La vita operativa si aggira sulle 5000 ore di lavoro.

31 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (2/12) 31 Il pompaggio avviene tramite una scarica in corrente continua sostenuta da differenze di potenziale di V e correnti fino a 60 A. Questa scarica crea degli ioni di Ar+, Kr+, Ar2+, Kr2+ che costituiscono il mezzo attivo. Il laser è elettricamente inefficiente e il tubo di plasma genera notevole calore che deve essere dissipato tramite un flusso continuo di liquido refrigerante (se il laser è ad alta potenza) o aria (per potenze inferiori a 100 mw). Gli specchi possono essere montati direttamente sul tubo o un sistema ottico più complesso sono comunque contenuti in un telaio a bassa espansione termica (costruito quasi sempre in SuperInvar) in modo da garantire la massima stabilità.

32 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (3/12) 32 L'uscita del laser dipende da molti fattori, se gli specchi offrono alta riflettività in una banda molto larga il laser può emettere più lunghezze d'onda. Questa è nota come multiline operation (operazione multilinea) utile se per esempio il laser è condiviso tra diversi progetti di un gruppo di ricerca.

33 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (4/12) Prism bandwidth 33 Se si vuole far operare il laser su una singola lunghezza d'onda si inserisce nella cavità un tuning prism (prisma sintonizzatore). La larghezza di banda del prisma è di 6-8 GHz (circa nm) che copre più modi della cavità risonante, ovvero quelli che soddisfano alla relazione L=2Nλmodo con L lunghezza della cavità, N numero intero (grande) e λmodo lunghezza d'onda del modo oscillante. Il funzionamento con il solo prisma è quindi multimodo.

34 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (5/12) 34 Per le applicazioni che richiedono un funzionamento monomodale si introduce nella cavità un ulteriore filtro selettivo chiamato etalon (in generale una cavità FabryPerot) che viene finemente accordato sulla lunghezza d'onda richiesta tramite riscaldamento o rotazione. La presenza dell'etalon garantisce la presenza di una sola riga spettrale con larghezza di circa 100 MHz (circa 10-6 nm).

35 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (6/12) 35 Come molti lasers a gas, i lasers a gas ionizzati possono generare ed emettere vari modi. Per questa ragione la cavità viene dotata di un'apertura variabile che restringe l'uscita al solo modo TEM00.

36 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (7/12) 36 La vita operativa di circa 5000 ore dei laser è dovuta principalmente alla rottura del tubo dovuta ai cicli termici soprattutto nei tubi ad alta potenza raffreddati ad acqua. Un altro problema legato ai forti sbalzi termici è la dilatazione che disallinea le ottiche e ne varia l'angolo con la conseguenza di abbassare la potenza di uscita, introdurre deformazioni nel fronte d'onda e generare modi diversi dal TEM00. Questo problema, che una volta richiedeva lunghi periodi di riscaldamento (fino a qualche ora) per raggiungere una temperatura di funzionamento stabile e continui riallineamenti delle ottiche è oramai superato grazie all'introduzione di sistemi di riallineamento automatici basati su sistemi di feedback che utilizzano un fotodiodo per mantenere un continuo allineamento ottimale.

37 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (8/12) 37 Una recente soluzione adottata nei laser a gas ionizzati è stata l'introduzione nella cavità di un beta-barium borate crystal (cristallo di beta-borato di bario, conosciuto anche come KTP) che essendo un materiale non lineare ha permesso un'efficiente duplicazione delle frequenze generate (processo di generazione di seconda armonica conosciuto come SHG da Second Harmonic Generation) con emissioni fino a 500 mw nell'ultravioletto.

38 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (9/12) 38 I lasers a gas ionizzati sono stati per molti anni i soli laser ad medio-alta potenza operanti in regime CW nel visibile e nell'ultravioletto (UV) fino all'introduzione dei lasers a stato solido a 532 nm pompati con diodi che risultano più compatti ed efficienti. Tuttavia i lasers a gas ionizzati continuano ad essere utilizzati in varie applicazioni perché hanno una serie di caratteristiche peculiari quali: Tunabilità: il laser può emettere più lunghezze d'onda, anche contemporaneamente dall'uv fino all'infrarosso (275 nm fino a 1090 nm per il laser ad Ar). Questo insieme di frequenze è utile nel caso il laser sia condiviso tra molti progetti in un gruppo di ricerca. Per esempio nella ricerca biomedica, nella citometria, nella microscopia e nella fluorescenza la tunabilità del laser permette l'eccitazione selettiva di varie tipologie di molecole fluorescenti.

39 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (10/12) 39 Alta potenza: i lasers allo stato solido pompati con diodi generano potenze fino a circa 10 W, i lasers a gas ionizzati arrivano ad emettere anche 25 W. Nell'industria dello spettacolo la possibilità di abbinare alta potenza ad un insieme di diverse lunghezze d'onda permette la creazione di immagini colorate se si abbina il laser a dei filtri cromatici. Regime CW per più lunghezze d'onda: i lasers allo stato solido come il Nd:YAG emettono alta potenza in regime di CW solo su alcune righe spettrali (1064 e 532 nm), da questo punto di vista i lasers a gas ionizzati sono più flessibili.

40 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (11/12) 40 Singola frequenza: il laser a gas ionizzati è il solo laser che in regime monomodale è in grado di generare una linea spettrale (sottile) con larghezza di circa 100 MHz in un spettro elevato di lunghezze d'onda e con potenze di diversi watt per ogni singola riga. Alta potenza in CW all'uv: i lasers a Ar e Kr sono in grado di generare qualche decina di watt alle lunghezze d'onda del violetto e dell'ultravioletto (da 330 a 415 nm). I lasers a stato solido pompati con diodi si fermano invece a qualche centinaio di milliwatt. Queste potenze e lunghezze d'onda sono utilizzate per esempio nei processi di fotolitografia nella creazione dei circuiti integrati.

41 Laser a gas ionizzati (ion lasers) (12/12) 41 Emissione nel lontano UV: utilizzando la SHG (generazione di seconda armonica) è possibile ottenere emissioni fino a 1 W nel range nm. Queste lunghezze d'onda sono interessanti nell'ambito delle telecomunicazioni e nella realizzazione di dispositivi ottici come la scrittura dei reticoli di Bragg.

42 Laser a Nd:YAG (1/10) 42 E' uno dei lasers più diffusi a partire dagli anni '60 per la sua combinazione di alto guadagno, piccola larghezza della riga emessa, facilità di pompaggio, robustezza e compattezza. Il Nd è il mezzo attivo. Viene pompato tramite lampade flash o diodi laser. Emette principalmente a 1064 nm (infrarosso) anche se sono possibili righe a 1320 nm, 1440 nm e 946 nm. Recentemente utilizzando gli effetti non lineari di alcuni cristalli si sono ottenuti laser che generano a frequenza doppia (di 1064 nn) a 532 nm, tripla a 355 nm e quadrupla a 266 nm.

43 Laser a Nd:YAG (2/10) 43 Può essere pompato tramite lampade flash o array di diodi. Quest'ultima configurazione presenta alta efficienza, grande stabilità, vita operativa molto lunga, ridotti consumi e compattezza. Può lavorare in regime di: CW: si sono ottenute potenze fino a 5 kw utilizzando più barrette in cascata. Impulsato: impulsi di ns fino a 100 ms. Q-switch: impulsi di 5-20 ns con potenza di 1-2 J equivalenti a potenze istantanee dell'ordine di alcuni MW. Mode-locking (aggancio di fase): impulsi di durata di frazioni di nanosecondo (10-9 sec) fino a pochi picosecondi (10-12 sec).

44 Laser a Nd:YAG (3/10) 44 è un laser Tipicamente multimodo con ampiezza di riga di circa 0.5 nm. Esistono anche altri laser che utilizzano lo stesso cristallo di YAG, come Er:YAG e CTH:YAG. Viceversa il Nd (che è il mezzo attivo) può essere inglobato in altri cristalli come YLF (facilità di pompaggio con lampade flash) e vetro (non può operare in CW, ma la riga spettrale elevata dovuta all'irregolarità del reticolo cristallino nel vetro permette la generazione di impulsi dell'ordine del ps in regime di modelocking).

45 Laser a Nd:YAG (4/10) Il cristallo di Nd:YAG (Nd:Y3Al5O12) è un cristallo artificiale che si realizza tramite crescita Czochralski. Forno Czochralski 45

46 Laser a Nd:YAG (crescita Czochralski) (5/10) Un insieme di polveri pure di alluminio, ittrio e neodimio sono piazzate in un crogiolo di iridio e portate allo stato viscoso (melt) tramite riscaldamento a circa Un seme (seed) di cristallo viene messo in contatto con la superficie del melt. 3. Il seme viene fatto ruotare e viene lentamente sollevato.

47 Laser a Nd:YAG (crescita Czochralski) (6/10) Un cristallo unico (prende il nome di boule) di YAG emerge alla velocità di circa 0.5 mm all'ora (ci vogliono parecchie ore per tirare un cristallo).

48 Laser a Nd:YAG (crescita Czochralski) (7/10) 48 I cristalli tipicamente prodotti hanno diametro tra 60 e 80 mm e lunghezza tra 175 e 225 mm. A partire da queste boule si producono tramite taglio e/o lappatura barrette, lastre, multistrato e altre forme a seconda delle richieste dell'acquirente. La forma più utilizzata è comunque la barretta cilindrica. Le superfici della barretta vengono lucidate.

49 Laser a Nd:YAG (8/10) 49 Il modo più semplice per creare la cavità risonante è ricoprire le estremità della barretta con un rivestimento altamente riflettente da un lato e uno parzialmente riflettente dall'altro. Un'altra configurazione utilizza specchi separati dal materiale attivo in modo da poter inserire nella cavità ottiche, filtri e cristalli non lineari allo scopo di ottenere in uscita il fascio laser con lunghezza d'onda, caratteristiche di monomodalità o multimodalità forma e durata desiderate.

50 Laser a Nd:YAG (9/10) Poco costoso Impulsi molto corti se utilizzato in mode-locking Facilità di pompaggio Mohs Difficile smaltire il calore (non è possibile lavorare in CW) Barrette resistenti 50

51 Laser a Nd:YAG (10/10) 51 Il laser trova applicazione in tutti i contesti con condizioni ambientali proibitive per le sue doti di compattezza robustezza e affidabilità. In ambito militare viene utilizzato per misurare con precisione distanze e come puntatore di bersagli. In ambito medico trova applicazione in dermatologia e oftalmologia. In ambito industriale trova applicazione nel taglio, foratura, saldatura e pulizia delle superfici. In ambito commerciale viene ancora utilizzato per la marcatura. In ambito scientifico trova utilizzo nel campo dei test non distruttivi, l'ablazione di superfici e della spettroscopia.

52 Laser a CO2 (1/19) 52 E' il cavallo di battaglia dei laser per applicazioni industriali (foratura, taglio e saldatura in primis). Emette principalmente a nm (10.6 μm) con efficienze dell'ordine del %, i valori più alti di efficienza dopo i lasers a semiconduttore. La larghezza della riga emessa è di circa 50 MHz (0.002 nm). Può operare in regime di CW con potenze d'uscita superiori a 20 kw, in impulsato e in regime di Q-switch (si sono ottenuti impulsi di durata inferiore a ns e potenza di picco di 5 MW per ogni litro di gas utilizzato). Il mezzo attivo è l'anidride carbonica (CO2) che nel laser si trova in una miscela composta anche da N e He (azoto ed elio) che facilitano il pompaggio e la dissipazione del calore.

53 Laser a CO2 (2/19) 53 Esistono sostanziale quattro categorie di laser a CO2 che si distinguono per i diversi tipi di tecnologia costruttiva: A flusso di gas longitudinale: permettono di ottenere le potenze di uscita più elevate (oltre 20 kw in CW). A flusso di gas trasverso (TEA): se pompati trasversalmente permettono di ottenere anch'essi potenze elevate con il vantaggio di aver vita operativa più lunga di quelli a flusso longitudinale A guida d'onda (slab laser) e sigillati: permettono di ottenere operatività dell'ordine delle ore con potenze di uscita da 20 a 600 W, sufficienti per tagliare tessuti, vetro e ceramica. Gas-dinamici: Poco efficienti e non in grado di operare in CW per le elevate temperature raggiunte, permettono però di ottenere potenze di uscita fino a 60 kw!!

54 Laser a CO2 (a flusso longitudinale) (3/19) 54 Nei lasers a flusso longitudinale viene mantenuto un flusso continuo di gas fresco lungo l'asse longitudinale in modo da mantenere un'efficienza sufficiente a garantire un'operatività ottimale senza surriscaldamenti. In generale l'85-90 % della dissipazione del calore è ottenuta con questa tecnica.

55 Laser a CO2 (a flusso longitudinale) (4/19) Il pompaggio può avvenire in due modi: Tramite scarica elettrica in corrente continua tramite degli elettrodi nel tubo dove fluisce il gas. Per eccitazione a radiofrequenza tramite generatori RF posizionati attorno al tubo stesso in questo caso il sistema è meno efficiente, ma non risente dell'usura degli elettrodi. I tubi utilizzati sono in quarzo e devono sostituiti ogni ore. 55

56 Laser a CO2 (a flusso longitudinale) (5/19) 56 Il vantaggio di questa configurazione è che vari elementi attivi possono essere messi in cascata in modo da aumentare la potenza generata. Questo permette di mantenere la semplicità costruttiva del singolo elemento realizzando però lasers di differente potenza (da poche centinaia di watt a oltre 20 kw) variando solo l'assemblaggio.

57 Laser a CO2 (a flusso longitudinale) (6/19) 57 Per quanto riguarda il risonatore, date le elevate potenze in gioco la realizzazione del risonatore è critica e si utilizzano principalmente due tecniche: Uno specchio totalmente riflettente e uno parzialmente riflettente (è la configurazione vista finora): in questo caso si parla di cavità stabile. Il problema di questa configurazione è la stabilità nel tempo del risonatore per via degli sbalzi termici. Entrambi gli specchi totalmente riflettenti, ma di geometria tale per cui parte della radiazione esce dietro ad uno specchio: in questo caso si parla di cavità instabile.

58 Laser a CO2 (a flusso longitudinale) (7/19) Soprattutto per i lasers ad alta potenza gli specchi sono realizzati in materiali con alta conducibilità termica e raffreddati con opportuni sistemi di raffreddamento. Qualora più elementi attivi siano posti in cascata al fine di rendere il laser più compatto, la cavità risonante può non essere rettilinea in questo caso si parla di multiple folding cavity (cavità a piegamenti multipli). Minore è il numero degli specchi utilizzati, minore sarà il costo di acquisto e di mantenimento del laser. 58

59 Laser a CO2 (a flusso longitudinale) (8/19) 59 Dovuto a problemi di temperatura con conseguenti problemi di efficienza di pompaggio nei lasers a CO2 a flusso longitudinale è possibile ottenere solo una potenza massima di circa 50 W per ogni metro di tubo. Questo impedisce la realizzazione di laser ad alta potenza compatti.

60 Laser a CO2 (a flusso trasversale) (9/19) 60 Nel caso il gas sia fatto fluire in verso trasversale rispetto al risuonatore si parla di laser a flusso trasversale (laser TEA). In questa tipologia di laser il pompaggio è trasverso. Se di tipo a radiofrequenza questo permette di ottenere vite operative superiori alle ore. I costi operativi sono minori del laser a flusso longitudinale di uguale potenza per la minor energia e quantità di gas utilizzati.

61 Laser a CO2 (a flusso trasversale) (10/19) 61 Il flusso del gas è assicurato da una ruota a pale (blower), tuttavia data l'esigua quantità di gas all'interno del laser e il suo flusso relativamente lento, il calore generato non è dissipato in modo efficiente ed è possibile realizzare solo lasers con potenze limitate. La regione attiva è solamente tra gli elettrodi di pompaggio.

62 Laser a CO2 (a flusso trasversale) (11/19) 62 Un ulteriore modo di pompare un laser TEA è tramite fascio elettronico. La camera contenente il gas è contigua ad una camera sotto vuoto dove un filamento riscaldato emette elettroni. Gli elettroni sono accelerati da un campo elettrico tra il filamento e la parete di separazione tra le due camere costituita da un foglio di alluminio (sottile, μm di spessore) appoggiato ad una griglia. Dopo aver attraversato la parete entrano in contatto con il gas lo eccitano.

63 Laser a CO2 (a flusso trasversale) (12/19) 63 E' possibile agevolare ulteriormente il ruolo degli elettroni, che tenderebbero a perdere per urti quasi subito la loro energia, mantenendo con un'ulteriore coppia di elettrodi un campo elettrico nella camera contenente il gas. Questo tipo di pompaggio permette efficienze molto elevate, tuttavia per problemi tecnologici questo tipo di laser può lavorare solo in regime impulsato. Se la frequenza degli impulsi non è elevata non è necessario far circolare la miscela di gas.

64 Laser a CO2 (a flusso trasversale) (13/19) 64 Un'altra caratteristica interessante di questo tipo di laser è che gli urti allargano la larghezza della riga emessa dal laser a circa 3 GHz (1.1 nm) che in regime di mode-locking (agganciamento di fase) ha permesso di ottenere impulsi con durata inferiore al nanosecondo.

65 Laser a CO2 (a guida d'onda) (14/19) 65 In questo laser il pompaggio avviene a radiofrequenza tra due elettrodi di rame posti a breve distanza tra loro. Gli elettrodi di elevata superficie e conducibilità termica sono raffreddati da un flusso di liquido refrigerante al loro interno. Queste due caratteristiche permettono un'efficiente dissipazione del calore senza che sia necessario un flusso continuo di gas. E' necessario far fluire gas fresco solo periodicamente.

66 Laser a CO2 (a guida d'onda) (15/19) 66 In contrasto con i laser a flusso longitudinale o trasversale che richiedono un'unità per il controllo permanente del flusso e un grosso serbatoio di gas, è necessario solo un serbatoio per contenere alcune decine di litri di miscela. La cavità in genere è di tipo instabile e produce un fascio laser ben focalizzato, ma di forma rettangolare che deve essere rimodellato in uno a simmetria di rotazione da un'unità esterna al laser.

67 Laser a CO2 (a guida d'onda) (16/19) 67 La struttura risulta essere molto compatta e permette di lavorare a pressioni di gas superiori rispetto ai sistemi a flusso continuo. Questo si traduce i potenze superiori a parità di grandezza. In regime CW si riescono ad ottenere potenze tra 1 e 3.5 kw. I maggiori vantaggi di questa soluzione sono alta qualità del fascio, non sono necessari scambiatori di calore, basse perdite ottiche, basso consumo di gas, non sono necessari serbatoi di gas, non c'è flusso di gas con conseguente pericolo di contaminare le ottiche, i costi di gestione sono bassi.

68 Laser a CO2 (sigillati) (17/19) 68 Basati sulla stessa tecnologia dei lasers a guida d'onda vi sono i laser sigillati. In questi lasers non vi è alcun flusso o ricambio di gas. sigillati ermeticamente all'atto della Essendo fabbricazione hanno vita operativa superiore alle ore. Le potenze generate non sono elevate, esistono in commercio unità con potenza tra i 25 e i 600 W. Sono utilizzati in operazioni quali in taglio di tessuti, vetro e ceramica.

69 Laser a CO2 (gas-dinamici) (18/19) Queste unità sono interessanti perché il pompaggio non avviene per scarica elettrica, ma piuttosto da una rapida espansione di una miscela di CO2-N2-H2O. 69 Lo scopo dell'espansione è abbassare la temperatura e la pressione della miscela in modo che le molecole di CO2 si trovino ad uno stato eccitato ottimale per generare emissione stimolata di fotoni.

70 Laser a CO2 (gas-dinamici) (19/19) 70 La miscela che si espande viene portata ad elevata temperatura e pressione tramite combustione. E' un laser costoso e poco efficiente (efficienze dell'ordine dell' 1 %), ma si riescono ad ottenere potenze di uscita dell'ordine dei 60 kw. Il laser può funzionare in CW solo per pochi secondi a causa dell'elevata temperatura a cui si portano i componenti, soprattutto gli specchi.

71 Laser a semiconduttore (1/38) 71 Sono i lasers destinati a sostituire tutti gli altri tipi di laser a bassa-media potenza. Come tutti i lasers ha un mezzo attivo e una cavità risonante. Il pompaggio avviene tramite una tensione elettrica che polarizza direttamente la giunzione. In questo modo è possibile ricombinazione degli elettroni (iniettati dalla zona N) e delle lacune (iniettate dalla zona P) nella zona di transizione (a gap energetico minore) per mezzo di emissione spontanea e/o stimolata dell'energia in eccesso in forma di fotoni.

72 Laser a semiconduttore (2/38) 72 L'efficienza del pompaggio è circa del 50 %, la più alta in assoluto per i lasers. Le potenze in uscita vanno dai 10 mw ai 40 W delle strutture ottenute combinando più diodi laser.

73 Laser a semiconduttore (3/38) 73 La regione attiva è quindi la zona di transizione. Il fascio laser è in generale più largo della regione attiva. Dato l'elevato salto d'indice è sufficiente lappare due superfici del laser per ottenere la cavità risonante. Per aumentare la riflettività si può ricoprire la superficie esterna con una sostanza riflettente. Alcuni lasers a semiconduttore utilizzano due specchi esterni, ma sono meno diffusi.

74 Laser a semiconduttore (4/38) 74 Qualunque sia la cavità risonante del diodo laser (superfici levigate a specchio o risuonatore tradizionale con 2 specchi) il funzionamento del diodo laser è multimodale (modi longitudinali) con spaziatura di circa 0.01 nm tra i modi. Esistono diodi laser monomodali, tuttavia sono soggetti ad cosiddetto mode hops (salto di modo), ovvero la radiazione emessa è sempre monomodale, ma non è possibile sapere a priori quale modo longitudinale (lunghezza d'onda) viene amplificato.

75 Laser a semiconduttore (5/38) 75 Un laser realizzato tramite una semplice giunzione P-N non può operare in regime CW a temperatura ambiente per via dell'accumulo di calore che inibisce il pompaggio. Sono quindi necessarie strutture più complicate con spessori opportuni per dissipare in modo conveniente il calore e agevolare il pompaggio.

76 Laser a semiconduttore (6/38) 76 In commercio si possono trovare due maggiori famiglie di lasers a semiconduttore. Realizzati su substrato di GaAs (arsenuro di gallio). Realizzati su substrato di InP (fosfato d'indio). La scelta del substrato vincola la struttura del laser perchè i vari tipi di semiconduttori utilizzati per ottenere la giunzione devono essere compatibili dal punto di vista cristallino con il substrato da cui si parte. Se il substrato è GaAs, si parla di lasers basati su GaAs e i vari drogaggi si ottengono combinando il GaAs con Al, In e As. I lasers emettono da circa 630 a 1100 nm, i valori commerciali più comuni sono 635, 650, 680 e 780 nm che sono utilizzati nei dispositivi ottici (lettori CD e DVD) e nei display, i 785, 808, 920 e 940 nm sono utilizzati per il pompaggio di altri lasers e nella stampa, infine i 980 nm sono usati per pompare gli amplificatori i fibra.

77 Laser a semiconduttore (7/38) Se il substrato è InP, si parla di lasers basati su InP e i vari drogaggi si ottengono combinando il InP con Ga, Al, In, As e P. Le lunghezze d'onda emesse stanno tra 1100 e 2000 nm, ma i lasers commerciali sono tipicamente a 1300, 1480 e 1550 nm corrispondenti alle 3 finestre trasmissive della fibra ottica (cioè le bande in cui le perdite sono basse, dell'ordine di 0.2 db/km). 2 Picco OH Attenuazione 0.6 (db/km) 0.4 Assorbimento nell'infrarosso λ Lunghezza d'onda (µ m)

78 Laser a semiconduttore (8/38) 78 Lunghezze d'onda maggiori, fino a nm (10 μm) si possono ottenere incorporando nell'inp altri materiali quali Sb (antimonio) o cambiando il tipo di substrato. Lunghezze d'onda inferiori fino a 400 nm (vicino ultravioletto) si sono ottenute crescendo a partire da un substrato di GaN e i primi lasers commerciali stanno per uscire sul mercato.

79 Laser a semiconduttore (9/38) 79 In un laser a semiconduttore al di sotto di una certa corrente di soglia Ith non vi è praticamente emissione laser e il diodo laser si comporta come un normale diodo luminoso emettendo radiazione incoerente (grazie al processo di emissione spontanea). Raggiunta la corrente di soglia l'effetto laser si attiva e vi è la creazione del fascio la cui potenza aumenta all'aumentare dell'intensità della corrente di pompaggio.

80 Laser a semiconduttore (10/38) 80 Al di sopra della corrente di soglia la relazione corrente-potenza di uscita è pressoché lineare con pendenza che dipende dalla lunghezza d'onda del laser, dalla cosiddetta efficienza quantica ηext che dipende dal materiale, dalla struttura del laser, dalle perdite della cavità e dalle perdite degli specchi se presenti. I limiti superiori sono dati dalla capacità di dissipare il calore prodotto e dal danneggiamento che si può produrre sulle superfici del semiconduttore a causa dell'elevata densità di potenza su di queste.

81 Laser a semiconduttore (11/38) 81 Per ottenere un'elevata efficienza operativa è auspicabile avere una struttura del semiconduttore priva di difetti e una buona sovrapposizione tra regione attiva e fascio laser. Questo si può ottenere con una struttura multistrato. Vari strati di composti differenti vengono fatti crescere uno sopra l'altro in modo da ottenere che la struttura cristallina di tutto il cristallo sia compatibile e priva di difetti. Il fascio laser inoltre risulta verticalmente confinato usando attorno alle regione attiva un semiconduttore a indice di rifrazione maggiore rispetto all'esterno (cladding).

82 Laser a semiconduttore (12/38) 82 Lo strato più interno è anche quello attivo quindi si ottiene l'emissione stimolata in corrispondenza del massimo di intensità del fascio laser (maggior numero di fotoni). Le lacune sono meno mobili quindi la ricombinazione (e quindi la zona attiva) è contenuta principalmente nella regione P. Per questo motivo si tende a crescere prima la regione N e poi le regione P mantenendo lo spessore di quest'ultima il più piccolo possibile e ricoprendola con l'elettrodo che ha anche la funzione di dissipare il calore.

83 Laser a semiconduttore (13/38) 83 Esistono due modi di crescere i vari strati: Tramite molecular beam epitaxy o MBE (epitassia a fascio molecolare). Tramite metallorganic chemical vapor deposition o MOCVD (Deposizione Chimica di Vapore Metalorganico).

84 Laser a semiconduttore (14/38) 84 La molecular beam epitaxy o MBE (epitassia a fascio molecolare) consente la sintesi di materiali in condizioni di non equilibrio come i super reticoli, ottenuti disponendo alternativamente, l'uno sopra l'altro, strati sottili di materiali diversi con periodicità reticolare simile a quella del substrato. Il wafer del substrato, che funge da struttura portante, insieme ad una serie di tubi chiusi contenenti gli elementi da depositare posti sottovuoto. Quando i tubi vengono aperti, sotto il controllo di un computer, gli elementi in essi contenuti si depositano nel substrato in uno strato epitassiale, cioè con strutture atomiche intimamente legata a quella del substrato.

85 Laser a semiconduttore (15/38) 85 La MBE permette la crescita di strati sottilissimi, films spessi solo qualche strato atomico, realizzando l'alternanza di materiali differenti, a seconda del contenitore in quel momento aperto, come se si dipingesse il substrato con vari strati di vernice. Il difetto fondamentale di questa tecnica è, però, la sua estrema lentezza (normalmente si ha la crescita di uno strato atomico per ogni secondo, e quindi circa un micron per ora) ed inoltre si può lavorare solo un wafer per volta.

86 Laser a semiconduttore (16/38) 86 La metallorganic chemical vapor deposition o MOCVD a differenza della MBE non necessita del vuoto. Anche qui bisogna depositare i vari elementi, alternativamente su un substrato. I materiali da depositare, sotto forma di gas, a pressione atmosferica, vengono messi a contatto con il substrato, riscaldato ad alte temperature, ed interagiscono con esso. Il rapporto di crescita dei vari strati è controllato variando il flusso dei gas nelle camere di deposizione. In questo caso pompe e valvole compiono il lavoro che prima era affidato all'apertura e chiusura dei tubi nella tecnica MBE.

87 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (17/38) 87 Il diodo laser più comune è il single spatial mode (modo spaziale singolo). La caratteristica di questo laser è che la regione attiva ha spessore e caratteristiche di confinamento tali per cui è ammesso un solo profilo trasversale del modo (l'equivalente del TEM00 in un laser senza guida d'onda). Questo implica che il diodo ha uno spessore di 2-5 μm con un fascio emesso dalla superficie di altezza circa 1 μm e larghezza circa 3-4 μm. Larghezza 3-4 μm Altezza 1 μm

88 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (18/38) Una volta lasciata la superficie laterale la luce diffrange in modo diverso. In particolare una volta lasciata la superficie la luce diffrange con un angolo misurato a metà altezza (FWHM) di 30 nella direzione verticale e 10 in quella orizzontale. La direzione verticale, perpendicolare al piano della giunzione prende il nome di asse veloce, quello orizzontale al piano della giunzione di asse lento. Apertura (FWHM) verticale 30 Apertura (FWHM) orizzontale 10 88

89 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (19/38) Dal punto di vista ottico, a causa dell'elevata diffrazione il laser si comporta più similmente ad una sorgente puntiforme. La sorgente è tuttavia anamorfica poiché nelle direzioni dell'asse veloce e dell'asse lento il comportamento del fascio è diverso. Inoltre a causa della rugosità della superficie da cui esce il fascio i lasers a semiconduttore tendono ad essere astigmatici. Entrambi i difetti suddetti possono essere corretti tramite l'uso di apposite ottiche. Apertura (FWHM) verticale 30 Apertura (FWHM) orizzontale 10 89

90 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (20/38) 90 Si è già visto nel sigle spatial mode laser che verticalmente il fascio è confinato da una guida a lastra. Lateralmente invece si riscontrano tre tipi di approccio. La presenza del conduttore tramite cui vengono immessi gli elettroni che alimentano l'effetto laser (pompa) ad disopra del semiconduttore definisce la regione in cui c'è guadagno e quindi definisce il laser lateralmente. Si parla in questo caso di gainguided laser.

91 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (21/38) 91 Una piccola perturbazione nel multistrato epitassiale confina il fascio lateralmente e si parla di weak index-guided laser. Viene realizzata una guida che confina fortemente il fascio tramite una serie di step durante le crescita epitassiale e si parla di strong index-guided laser.

92 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (22/38) 92 I laser single spatial mode sono utilizzati in tutte quelle applicazioni dove è necessario poter controllare la diffrazione del fascio come: Nel data storage (lettori CD, DVD, ecc.), che rappresenta il mercato maggiore per questa tipologia di dispositivo. Nella reprographic (fotocopiatrici, stampanti, ecc.). Nelle telecomunicazioni come pompa e sorgenti trasmissive delle fibre ottiche monomodo. A causa delle piccole dimensioni della guida, necessarie per ottenere un funzionamento monomodale del laser, la densità locale di potenza (che può danneggiare il semiconduttore, ma soprattutto la pareti riflettenti) e la difficoltà di dissipare il calore generato, limitano la potenza media a cui possono operare questi dispositivi sui mw.

93 Laser a semiconduttore (single spatial mode) (23/38) La maggior parte dei lasers per telecomunicazioni a bassa potenza sono index-guided per ottenere un fascio di alta qualità, stabile e monomodale. 93

94 Laser a semiconduttore (multimode laser) (24/38) 94 Il modo più semplice per ottenere un innalzamento della potenza è aumentare l'altezza della guida che contiene la regione attiva dai 2 4 μm dei lasers single spatial mode a μm. 50 μm

95 Laser a semiconduttore (multimode laser) (25/38) 95 Questi laser prendono il nome di multimode lasers (lasers multimodo perché la guida non è più monomodale) o broad-area lasers (lasers a area elevata). Possono generare potenze medie, da un'apertura di 100 μm si possono ottenere anche 2 W. Si osserva che l'incremento di potenza non cresce linearmente con l'area. Un incremento d'area di circa 30 volte rispetto ad un laser single spatial mode non porta ad un incremento della potenza emessa di 30 volte (bensì circa 5 volte). Se non devono essere integrati con altri dispositivi sono tipicamente gain-guided per mantenere bassi i costi di produzione. Non possono essere focalizzati efficacemente o essere efficacemente accoppiati in una fibra ottica.

96 Laser a semiconduttore (bars) (26/38) 96 Per ottenere potenze maggiori è possibile porre più diodi laser in parallelo formando bars (barre) o stacks of bars (strati di barre). Le bars sono composte da diodi integrati in un singolo chip. Le dimensioni standard sono di cm di lunghezza per μm di profondità. Ogni singola barra può emettere dai 20 ai 60 W in regime CW e più di 100 W in regime impulsato.

97 Laser a semiconduttore (bars) (27/38) Per dissipare l'elevata quantità di calore prodotto si richiede l'utilizzo di un dissipatore, in genere montato sulla regione P che può essere: Passivo (tipicamente di rame): delle alette di dissipazione raffreddano la barra di diodi. Attivo: la barra di diodi è montata su un supporto (tipicamente rame) che viene raffreddato tramite liquido refrigerante. Una combinazione dei due: il dissipatore viene a sua volta messo in contatto con il liquido di raffreddamento. WATER 97

98 Laser a semiconduttore (bars) (28/38) 98 Il pompaggio di una bar da 40 W richiede correnti nell'ordine dei A generate da una tensione di alimentazione nell'ordine dei 2 V. L'applicazione tipica delle barre è il pompaggio dei lasers allo stato solido. Commercialmente si trovano barre che emettono a varie lunghezze d'onda. Le più comuni sono 808 nm per pompare i lasers Nd:YAG ma anche 785, e 940 nm.

99 Laser a semiconduttore (stacks) (29/38) 99 Potenze ancora maggiori si possono ottenere montando barre di diodi una sopra l'altra a formare un multistrato (stack). Il posizionamento in serie delle bars ha la caratteristica di richiedere un aumento del voltaggio di alimentazione mentre la corrente assorbita continua ad essere quella di una singola barra.

100 Laser a semiconduttore (stacks) (30/38) Il calore prodotto da stacks da oltre una decina di watt necessita praticamente sempre di un sistema di dissipazione attivo. Potenze superiori al kw in regime CW si sono ottenute sovrapponendo 20 e più barre opportunamente raffreddate a liquido. 100

101 Laser a semiconduttore (stacks) (31/38) 101 Uno stack può essere focalizzato tramite una serie di lenti posizionate di fronte ad ogni singolo diodo laser. Data la limitata dimensione delle lenti (il diametro è inferiore al millimetro) si parla di micro-ottiche. Un ulteriore approccio consiste nell'accoppiare i laser direttamente con delle fibre ottiche (monomodo o multimodo) ricombinando poi i vari fasci in prossimità del punto di utilizzo del fascio laser. Si parla in questo caso di fiber-bundle.

102 Laser a semiconduttore (stacks) (32/38) 102 I focalizzatori fiber-coupled di fasci laser a media potenza trovano applicazione nell'ablazione termica (per esempio di denti) e negli interventi chirurgici, ma anche il processo di materiali non metallici quali la plastica e in alcune operazioni di microsaldatura.

103 Laser a semiconduttore (DFB) (33/38) 103 In precedenza, soprattutto nell'applicazione dei lasers single spatial mode si è parlato della necessità di avere un solo modo longitudinale, questo soprattutto nell'ambito delle telecomunicazioni dove sono richieste sorgenti ottiche prive di rumore a banda stretta. Questo si può ottenere in modo efficace grazie al distributed-feedback laser (DFB). questo laser viene In adoperato un grating (una struttura corrugata) posto all'interno del laser in sostituzione dei due specchi per amplificare l'effetto della regione attiva.

104 Laser a semiconduttore (DFB) (34/38) 104 Ogni discontinuità del grating provoca una piccola riflessione all'interno della struttura. Se il grating è regolare (le corrugazioni sono periodiche) la struttura opera ad una singola frequenza (quella a cui i contributi si sommano tutti in fase). Questo fa si che il laser funzioni ad una sola lunghezza d'onda che rimane tale anche variando e modulando la corrente di pompa. Commercialmente si trovano DFB lasers a 1300 e 1550 nm per essere perfettamente compatibili con le fibre ottiche monomodo per telecomunicazioni. Molti DFB lasers commerciali con potenze da 1 a 35 mw sono disponibili già intestati su fibra ottica.

105 Laser a semiconduttore (VCSEL) (35/38) 105 Sebbene la quasi totalità dei laser prodotti emettono lateralmente, sono stati recentemente sviluppati dei lasers in grado di emettere verticalmente rispetto al substrato sui quali vengono cresciuti. Prendono il nome di vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL). Gli specchi sono realizzati crescendo due multistrato dielettrici uno sopra e uno sotto la regione attiva (un multistrato si comporta come uno specchio a delle precise lunghezze d'onda).

106 Laser a semiconduttore (VCSEL) (36/38) 106 Il confinamento laterale si ottiene invece per gainguiding o tramite un anello di AlAs ossidato. Le strutture sono molto più difficili da crescere che quelle tradizionali, ma hanno la caratteristica di non necessitare la lappatura delle superfici e quindi possono essere testati direttamente a livello di wafer poiché alla fine di questa fase sono completi. Questo semplifica le fasi successive a quella di crescita e riduce il costo totale del dispositivo finito.

107 Laser a semiconduttore (VCSEL) (37/38) 107 Un altro vantaggio di queste strutture è la bassa corrente di soglia, sotto il ma. Il fascio prodotto dal dispositivo ha bassa divergenza e simmetria di rotazione quindi si presta ad essere accoppiato facilmente con le fibre ottiche. Per queste sue caratteristiche il VCSEL trova applicazione nei collegamenti punto-punto a basso costo con fibra ottica multimodale, in particolare se usato in bars o stacks.

108 Laser a semiconduttore (38/38) Single longitudinal mode Coloranti 108

109 Laser ad eccimeri (1/16) 109 Sono laser che emettono impulsi direttamente nell'ultravioletto senza la necessità di complesse conversioni di lunghezza d'onda. Le lunghezze d'onda più comuni sono 157, 193, 248, 308 e 351 nm. Le potenze di picco possono raggiungere i 109 W in impulsi di circa 5 ns.

110 Laser ad eccimeri (2/16) 110 Eccimero deriva dall'inglese excimer che è un'abbreviazione di excited dimer (dimero eccitato) che indica una molecola formata da due atomi dello stesso tipo (per esempio F2). Il nome eccimero si estende ormai abitualmente anche alle molecole composte da due atomi diversi (per esempio XeCl). Nei lasers ad eccimeri il materiale attivo è composto da una molecola composta da un atomo di un gas inerte e da un atomo di alogeno e può esistere solo in uno stato elettrico eccitato. Allo stato neutro invece gli atomi si respingono o al limite sono solo lievemente legati. L'efficienza del laser è dell' 1 4 %.

111 Laser ad eccimeri (3/16) 111 Si prenda per esempio l'eccimero KrF (fluorato di kripton). L'eccimero si forma facendo reagire del Kr+ (Kr ionizzato positivamente) con del F- (F ionizzato negativamente) a formare un legame di tipo coulombiano. Le reazioni chimiche che avvengono in questo laser sono: e- + F2 F- + F e- + Kr 2e- + Kr+ Kr+ + F- +Ne KrF* + Ne dove l'asterisco significa che la molecola è in uno stato eccitato. La presenza del Ne (detto partner) nell'ultima reazione è necessaria per assorbire l'energia cinetica in eccesso degli atomi di Kr e F altrimenti la reazione non ha luogo.

112 Laser ad eccimeri (4/16) 112 Affinché le 3 reazioni avvengano insieme con un'elevata probabilità è necessario che il gas sia ad alta pressione (diverse atmosfere). Dal suo stato eccitato la molecola KrF* tende a dissociarsi velocemente per portarsi in uno stato di quiete. Questo comporta che l'emissione stimolata è molto agevolata la cui diretta conseguenza è un elevato guadagno del mezzo attivo che permette l'utilizzo di risuonatori semplici. Il pompaggio avviene facendo passare una scarica tra due elettrodi posti trasversalmente rispetto al flusso del gas.

113 Laser ad eccimeri (5/16) 113 Il laser è ad autospegnimento e tra due impulsi consecutivi è necessario che il gas nella regione attiva venga totalmente sostituito per evitare instabilità nella scarica di pompa. La preionizzazione del gas è una condizione per ottenere una scarica uniforme. Una presenza di elettroni di elettroni/cm3 permette una scarica uniforme. Vengono adoperati anche stabilizzazioni attive del fascio laser la cui potenza tenderebbe a diminuire nel tempo a causa dell'esaurimento dell'alogeno che ad ogni scarica tende a reagire con il metallo degli elettrodi e a formare una molecola stabile. La diminuizione dell'alogeno a disposizione porta ad una riduzione della potenza generata.

114 Laser ad eccimeri (6/16) 114 La vita del gas utilizzato in un laser ad eccimeri è di dirca impulsi generati. Durante questo periodo di funzionamento è comunque necessario reintegrare l'alogeno che si ricombina. A causa di questo elevato consumo di gas il laser ad eccimeri è considerato operativamente dispendioso. In realtà il costo maggiore per tale tipo di laser è quello del tubo e degli elettrodi (che devono essere di acciaio inossidabile) che vengono erosi visto le elevate energie in gioco durante il funzionamento e quello delle ottiche che tendono a contaminarsi a causa delle reazioni chimiche e a perdere quindi di efficienza. Con opportune riduzioni dei contaminanti nel gas insieme a avanzati sistemi di pulizia del gas hanno portato la necessità di interventi sul tubo ogni circa 109 impulsi generati.

115 Laser ad eccimeri (7/16) 115 Ripartizione dei costi di funzionamento di un laser KrF da 100 W per applicazioni industriali La cavità risonante di un laser ad eccimeri e tipicamente composta da uno specchio dielettrico piano ad alta riflettività e da uno specchio di CaF2 o MgF2 con riflettività del 5 30 % (sufficiente dato l'elevato guadagno del mezzo attivo).

116 Laser ad eccimeri (8/16) 116 In ambito scientifico il laser trova i seguenti impieghi: Come pompa per i lasers a coloranti utilizzati in spettroscopia. Per la produzione di films sottili. In questo metodo, un fascio laser ad alta potenza viene focalizzato su di un bersaglio in una camera a vuoto. Un substrato viene posto in prossimità del bersaglio. Il plasma prodotto dall'ablazione prodotta dal fascio laser si deposita uniformemente sul substrato. Per misure spettrografiche delle combustioni.

117 Laser ad eccimeri (9/16) 117 In ambito industriale e medico il vantaggio principale del laser ad eccimeri è la sua capacità di compiere ablazioni fredde. Laser operanti a lunghezze d'onda superiori infatti possono essere visti come una forte sorgente di luce localizzata che rimuove o taglia il materiale per effetto termico che fa evaporare localmente il materiale. Purtroppo in questa modalità operativa il calore sviluppato danneggia anche il materiale circostante. Al contrario la radiazione ultavioletta del laser ad eccimeri viene assorbita dai legami tra atomi del materiale che si rompono. Questo permette al laser di rompere direttamente i legami atomici senza scaldare il materiale. Questo processo viene chiamato cold ablation (ablazione a freddo). Associato alla durata limitata degli impulsi questo permette il processo dei materiali senza virtualmente danneggiare il materiale periferico.

118 Laser ad eccimeri (10/16) 1 ev = 1,602177*10-19 J Capacità del laser ad eccimeri di operare l'ablazione a freddo: se un fotone con energia simile a quella del legame chimico colpisce una molecola il legame si spezza 118

119 Laser ad eccimeri (11/16) 119 Poiché il limite di focalizzazione di un fascio e la risoluzione di una maschera proiettata su una superficie sono limitate dalla diffrazione che dipende linearmente dalla lunghezza d'onda, le piccole lunghezze d'onda in gioco permettono elevate risoluzioni spaziali. Testo scritto con un laser ad eccimeri su di un capello umano.

120 Laser ad eccimeri (12/16) Il laser ad eccimeri viene adoperato per bucare substrati di dielettrico con buchi da 30 a 100 μm di diametro fino a profondità di 0.5 mm. 120

121 Laser ad eccimeri (13/16) 121 Un'altra applicazione è la preparazione delle membrane che formano la testina di stampa delle stampanti a getto d'inchiostro. In questo caso una serie di fori da cui fluisce l'inchiostro devono essere fabbricati con estrema precisione.

122 Laser ad eccimeri (14/16) 122 I processi di fotolitografia a 0.25 e 0.18 μm utilizzati per esempio nella produzione delle memorie DRAM utilizzano i laser ad eccimeri a 248 e 193 nm. I processi a 70 nm utilizzano invece i lasers a 157 nm (in questo caso si superano i limiti imposti dalla diffrazione immergendo la maschera in liquidi ad indice di rifrazione elevato). Lo spettro della radiazione di un laser ad eccimeri è tipicamente attorno ai 0.5 nm, tuttavia per la fotolitografia sono disponibili apparati con larghezza di banda ridotta a meno di 1 pm allo scopo di eliminare dispersioni cromatiche. Tale riga è ottenuta tramite dispositivi dispersivi, gratings, prismi e risuonatori posti direttamente nella cavità risonante. La sua stabilità viene inoltre monitorata e stabilizzata con un'accuratezza di 0.1 pm per ottenere il massimo rendimento dalle ottiche che funzionano solo con luce monocromatica.

123 Laser ad eccimeri (15/16) 123

124 Laser ad eccimeri (16/16) Il laser a 193 nm viene utilizzato in cheratectomia fotorefrattiva per aportare piccole porzioni di cornea e correggere la miopia. 124 Il laser a XeCl che emette a 308 nm viene invece utilizzato in angioplastica. In questo caso il fascio viene accoppiato direttamente in una fibra ottica di quarzo con diametro di mm che vengono inserite nei vasi sanguigni e permettono di raggiungere le placche sulle pareti delle arterie e rimuoverle.

125 Ricapitolando 125