LASER PRINCIPI FISICI

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1 Corso di Tecnologie Speciali I LASER PRINCIPI FISICI Università degli Studi di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Chimica, dei Materiali e della Produzione Industriale

2 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Amplificazione di luce a mezzo di emissione stimolata di radiazioni

3 LASER: I principi fisici Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Radiazione elettromagnetica Emissione stimolata

4 LASER: La radiazione elettromagnetica Caratteristiche di un onda: λ= Lunghezza d'onda f= Frequenza ϕ= Fase E r B r r r r E B = v E r B r = 0 = vettore campo elettrico = vettore densità del flusso magnetico Velocità di propagazione di un onda elettromagnetica v = λ f Nel vuoto: c= λ f = ms 1

5 LASER: La radiazione elettromagnetica La radiazione elettromagnetica, secondo la teoria classica (Maxwell), è un onda Avvalora questa teoria il fenomeno della diffrazione (fenomeno puramente ondulatorio)

6 LASER: La radiazione elettromagnetica Nel 1901, Planck ipotizza la possibilità che l energia elettromagnetica sia quantizzata Nel 1904, Einstein dimostra la sua teoria sull effetto fotoelettrico facendo uso della teoria dei quanti Energia elettromagnetica emessa ed irradiata in quantità discreta FOTONI

7 LASER: La radiazione elettromagnetica Energia di un fotone: E f h = = hν 34 ( ) x10 J s h costante di Planck ν frequenza [Hz] 1 ev = (14) x J

8 LASER: Interazione radiazione-materia Ogni sistema fisico (atomo o molecola) presenta diversi livelli energetici discreti separati tra loro da precise differenze di energia E 2 E 1 E = E E E 0

9 LASER: Interazione radiazione-materia Tre possibili interazioni: Assorbimento Emissione spontanea Emissione stimolata

10 LASER: Interazione radiazione-materia 1. Assorbimento E 2 E 1 E 0

11 LASER: Interazione radiazione-materia 2. Emissione spontanea E 2 E 1 E 0

12 LASER: Interazione radiazione-materia 3. Emissione stimolata E 2 E 1 E 0 2 fotoni coerenti

13 LASER: Amplificazione Per avere una amplificazione della radiazione elettromagnetica (i.e. più fotoni) occorre che si verifichi: N 0 Popolazione al livello energetico 0 N 1 >N 0 N 1 Popolazione al livello energetico 1 Questo non può mai accadere in condizioni di equilibrio termodinamico: Occorre indurre l inversione di popolazione N 1 >N 0 mediante il pompaggio

14 LASER: Costituenti Per ottenere un fascio laser occorre: Un materiale attivo Un sistema di pompaggio Una cavità risonante

15 LASER: Schema fondamentale MEZZI DI ECCITAZIONE (pompaggio ottico, elettrico, chimico, ) MEZZO ATTIVO SPECCHIO RIFLETTENTE 100% SPECCHIO SEMIRIFLETTENTE CAVITÀ

16 LASER: Il materiale attivo Un materiale per poter essere adoperato come materiale attivo per un laser deve possedere un livello energetico metastabile per poter realizzare l inversione di popolazione. Materiali a 2 soli livelli non possono essere adoperati come mezzo attivo MATERIALI ATTIVI A 3 o 4 LIVELLI ENERGETICI (DI CUI UNO METASTABILE)

17 LASER: Materiale a 3 e 4 livelli Materiale a 3 livelli Materiale a 4 livelli E 2 è il livello metastabile Per un materiale a 4 livelli è più semplice ottenere l inversione di popolazione (deve verificarsi E 2 > E 1 mentre il livello più popolato è E 0 ); per contro richiede una maggiore energia per il pompaggio

18 LASER: Sistema di pompaggio Per realizzare l inversione di popolazione occorre fornire energia al mezzo attivo; il sistema di pompaggio adoperato dipende dallo stato fisico del mezzo attivo. Essenzialmente vi sono due sistemi di pompaggio: Ottico Elettrico

19 LASER: Cavità risonante Una volta innescata l emissione stimolata, l amplificazione del fascio viene ottenuta per via ottica: l elemento che garantisce l emissione stimolata viene inserito tra due specchi affacciati di cui uno semi-riflettente. Specchio riflettente Specchio Semi-riflettente

20 LASER: Cavità risonante

21 LASER: Cavità risonante

22 LASER: Cavità risonante

23 LASER: Cavità risonante

24 LASER: Cavità risonante

25 LASER: Cavità risonante

26 LASER: Cavità risonante

27 LASER: Cavità risonante

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29 LASER: Cavità risonante

30 LASER: Cavità risonante

31 LASER: Cavità risonante

32 LASER: Cavità risonante

33 LASER: Cavità risonante

34 LASER: Caratteristiche del fascio Il fascio di fotoni ottenuto per emissione stimolata presenta le seguenti caratteristiche: Monocromaticità Coerenza nel tempo e nello spazio Brillanza Fluenza Irradianza Collimazione

35 LASER: Monocromaticità Monocromaticità: Il fascio di luce è costituito da un fascio di onde elettromagnetiche con una sola frequenza corrispondente alla differenza di livelli energetici Il fascio è costituito da varie lunghezze d'onda, anche se molto vicine tra di loro, per cui sono situate in una banda spettrale estremamente ristretta

36 LASER: Coerenza Coerenza: è la proprietà direttamente connessa all'emissione stimolata, per cui le singole emissioni avvengono in fase tra di loro Coerenza spaziale in quanto i fronti d'onda mantengono costante la loro forma Coerenza temporale poiché la differenza di fase dell'onda rimane costante qualunque sia il tempo considerato Dalla coerenza spaziale del laser deriva la caratteristica del fascio di unidirezionalità, ovvero di bassa divergenza

37 LASER: Brillanza Brillanza: È il parametro che contraddistingue più profondamente le qualità ottiche di un laser e ne giustifica le applicazioni. Per brillanza si intende la potenza (in Watt o in Joule al secondo) emessa per unità di superficie e per unità di angolo solido. il rapporto di brillanza del laser focalizzato e la brillanza del sole allo Zenit è di circa B = π d 0 P π θ

38 LASER: Fluenza e Irradianza Per descrivere le caratteristiche energetiche del fascio laser si definiscono alcune grandezze fondamentali:

39 LASER: Distribuzione spaziale di potenza L irradianza non è uniforme sulla sezione del fascio. Si classifica la distribuzione di irradianza secondo il Transverse Electromagnetic Mode TEM mn dove m e n sono il numero di minimi nella sezione trasversale del fascio nelle direzioni ortogonali x e y (perpendicolari alla direzione di propagazione del fascio) Distribuzione Gaussiana

40 LASER: Collimazione Collimazione: Grazie a tale caratteristica, il fascio laser può essere focalizzato su un area limitata anche a lunga distanza. La geometria che il fascio assume nella direzione di propagazione è riportata in figura:

41 LASER: Collimazione d 0 = Punto di minimo diametro Per ogni fascio vale:θ d 0 = cost È una specifica del fascio: se, passando attraverso una lente, cambia θ, cambia anche d 0. La costante dipende daλ:θ d 0 = k λ k dipende da I(r,θ), cioè da come è distribuita la potenza. Per distribuzione gaussiana (TEM00): Se la distribuzione non è gaussiana, il valore di k è maggiore e il fascio diverge maggiormente. La divergenza rimane comunque contenuta a qualche decina di milliradianti.

42 LASER: Collimazione Per descrivere le caratteristiche geometriche del fascio si definiscono alcuni parametri:

43 LASER: Profilo temporale Le sorgenti laser funzionano in due modalità: Regime continuo (CW = continuous wave) Regime pulsato (PW = Pulsed Wave)

44 LASER: Profilo temporale Il regime pulsato si ottiene essenzialmente in due modi: Free running: Il pompaggio è intermittente (ad es. nel Nd:YAG si ottiene con lampade flash impulsi dell ordine di 10-4 s) Q-switch: Il 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)

45 LASER: Il Q-switch Il dispositivo, attraverso la variazione delle proprietà della cavità risonante, ha la funzione di immagazzinare l energia di pompaggio all interno della cavità e di rilasciarla in un tempo brevissimo (tempi dell ordine di 10-9 s) Esempio di dispositivo Q-switching meccanico Si ha emissione di fascio laser solo quando i due specchi sono affacciati

46 LASER: Rendimento globale Rendimenti globali molto bassi (massimo 20%)

47 LASER: Il primo laser