WORKSHOP SULLE APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI LASER AD ELEVATA BRILLANZA. SITEC Dipartimento di Meccanica Italy 24 settembre 2009

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1 WORKSHOP SULLE APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI LASER AD ELEVATA BRILLANZA SITEC Dipartimento di Meccanica Italy 24 settembre 2009

2 Ing. A. Raspa Sviluppo di sorgenti innovative ad elevata brillanza

3 Contenuti Brillanza, Modi, Fibre, ilaser Green Progetti strategici FMA150 Fibra 3C Prospettive Conclusioni

4 Brillanza Il termine Brillanza è usato di frequente parlando di laser, sia in termini puramente descrittivi che con diversi significati quantitativi associati alla misura fotometrica di Luminanza o quella radiometrica di Radianza. Nell accezione più diffusa la Brillanza è data dal rapporto tra la potenza emessa ed il prodotto tra il diametro del fascio nel fuoco e l angolo solido in far-field (divergenza): rappresenta un parametro di valutazione focalizzabilità del fascio Per un fascio gaussiano (diffraction-limited) a bassa divergenza sussiste la relazione B π ω P 2 0 Θ λ P 2 Per fasci generici occorre tenere conto del fattore M 2 lungo x ed y.

5 TEM 00, fibre, I modi di propagazione di un onda elettromagnetica sono dati dalle condizioni al contorno e sono calcolabili risolvendo le equazioni di Maxwell Modi trasversali laser (TEM 00, TEM mn ) Modi di una fibra ottica(lp 01, ) Fibre monomodo tonde Fibre monomodo PM ellittiche Fibre multimodo tonde Fibre multimodo quadr./rettang. Generazione Trasmissione Interazione (processo)

6 ottiche, I modi di propagazione di un onda elettromagnetica sono dati dalle condizioni al contorno e sono calcolabili risolvendo le equazioni di Maxwell Modi trasversali laser (TEM 00, TEM mn ) e/o Modi di una fibra ottica e Lenti di focalizz. Tutto questo per capire come si focalizza un fascio laser per realizzare un processo NB: non si può migliorare la brillanza con dispositivi ottici passivi

7 ilasergreen Single-mode Nd:YVO 4 Potenza di picco 8 kw Lunghezza d onda 532 nm Applicazioni Micro-marcatura di chip Microlavorazioni nel campo dei semiconduttori Microlavorazioni nel campo del fotovoltaico

8 Progetti Strategici Progetto Fiblas Nuovi Laser in Fibra Sviluppo di un nuovo concetto di laser in fibra ad alta affidabilità ed efficienza al fine di superare la soglia dei MW di picco, fascio con limitata diffrazione, alta potenza in uscita, disegno compatto e totalmente controllato da microprocessore. Progetto Femto Sorgente Laser Modulare Sub-picosecondo Continuando la tradizione di Quanta System nel produrre sistemi mode-locked ad impulsi corti, sono in corso di sviluppo secondo un concetto modulare una serie di sorgenti laser sub-ps estremamente affidabili. Tali sorgenti opereranno anche ad armoniche diverse dalla fondamentale soprattutto per applicazioni l industria dei semiconduttori.

9 Progetti Strategici Arbor Photonics Sviluppo sorgenti con fibre 3C Arbor Photonics è la licenziataria esclusiva dell Università del Michigan per quanto riguarda le fibre 3C (Chirally-Coupled Core) attive e passive. Quanta System ha instaurato un rapporto di partnership con Arbor Photonics (US) per uno sviluppo comune di sorgenti laser a fibra attiva con emissione a singolo modo basate sulle fibre ottiche 3C. Michigan Univ. Sviluppo sorgenti a fibra attiva Quanta System ha stipulato un contratto di ricerca con l Università del Michigan per sviluppare nuove sorgenti laser in collaborazione con il gruppo coordinato dal Prof. A. Galvauskas (Università del Michigan)

10 FMA 150 Multistage MOPA Fiber-laser Potenza max 150 mw Frequenza khz Durata impulso ns progr. Singolo modo con diametro 6.2 µm Applicazioni Seeder per fiber-laser Seeder per laser a stato solido Spettroscopia Diagnostica remota

11 FMA 150 Multistage MOPA Fiber-laser Durata di impluso programmabile da 5 ns a 4000 ns Controllo SW della frequenza da 10kHz to 500kHz (1MHz opt.) Selezione dei singoli impulsi e/o sequenze Controllo indipendente dgli amplificatori Alta velocità di risposta (fino a 1000 A/µs) Elevato guadagno di piccolo segnale Potenza d uscita saturata fino a 25 dbm

12 Fibra 3C Chirally-Coupled Core Fiber Arbor Photonics, Inc. Fibre con core >30 µm in cui si propaga solo il modo fondamentale LP 01. Sviluppate e brevettate dal Prof. A. Galvanauskas (Univ. of of Michigan) Licenza esclusiva concessa ad Arbor Photonics. Ge-doped

13 3C fiber-laser Laser singolo-modo di alta potenza Arbor Photonics, Inc. Potenza max 140 W Frequenza 250 khz Durata impulso 10 ns Energia max Frequenza Durata impulso 1,05 mj 100 khz 10 ns Signal Power, W Amplitude, a.u Absorbed Pump Power, W Time, ns Courtesy A. Galvanauskas

14 Prospettive FMA 150 & 3C fiber Fiber laser 20 W con impulsi da 5 ns a 4000 ns, kHz Fiber laser 10 W con impulsi da 500 fs, 1MHz Generazione 532 e 355 nm

15 Conclusioni Il concetto di Brillanza distingue i laser dalle altre sorgenti luminose e fornisce una misura della sua focalizzabilità I laser a fibra attiva sono una delle sorgenti ad alta brillanza ed una tecnologia che riserva ancora molti sviluppi interessanti. Il laser ci interessa come utensile per processi industriali, spesso permette lavorazioni innovative ma viene utilzzato quando è vantaggioso il conto economico!

16 BrillAura Il laser ci interessa come utensile per processi industriali e viene utilzzato quando è vantaggioso il conto economico! BrillAura= Brillanza/Costo [ ] BrillEuro

17 Grazie per la vostra attenzione Ing. A. Raspa Quanta System Spa Via IV Novembre, 116 Solbiate Olona VA