Introduzione al corso Lab. di Fisica del Laser I. Simone Cialdi

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1 Introduzione al corso Lab. di Fisica del Laser I Simone Cialdi

2 Outline Descrizione del corso Il LASER Caratteristiche principali Esempi di LASER e applicazioni Testi consigliati Informazioni sulla sicurezza

3 Descrizione del corso di Lab. LASER Interazione radiazione materia Equazioni del laser Allineamento del laser, Pout=f(I) La cavità laser Modi della cavità + Allargamenti di riga Visualizzazione della struttura spaziale dei modi + Battimenti tra i modi Generazione di impulsi Q-switch Mode-Locker

4 Caratteristiche principali del LASER LASER = Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Monocromaticità Coerenza Spaziale Temporale Direzionalità e Brillanza Capacità di generare impulsi brevi Theodore H. Maiman 1960 il primo LASER

5 Monocromaticità ν = n c λ n λ n = 2L n La cavità formata dai due specchi ha i suoi modi oscillanti (onde stazionarie). Il laser può funzionare solo su questi modi oscillanti. Se selezioniamo solo uno di questi modi il laser produce una radiazione quasi monocromatica. È quindi la cavità e non il mezzo attivo a selezionare la frequenza di funzionamento e anche le caratteristiche spaziali del fascio laser.

6 Coerenza temporale E( t) τ1 τ 2 τ 3 τ 4 τ c ( τ ) = p τ dτ He-Ne Laser a diodo τ c 0. 3ns τ c 1 ps ( 10cm) ( 0.3mm) ν 1 τ c

7 Misura della Coerenza temporale (Interferometro di Michelson) A * ( t) A( t + τ ) = I( I( ω) )

8 Coerenza spaziale Laser spot (profilo di fase) y x Sorgente termica

9 Misura della Coerenza spaziale (Interferometro di Young)

10 Direzionalità e Brillanza θ λ S c θ Area di coerenza spaziale La brillanza è la potenza emessa per unità di area e per unità di angolo solido. θ f d = 2 fθ Lente Possibilità di focalizzare su aree molto piccole

11 Confronto tra un laser e una sorgente termica λ=633 nm P=1mW w o =1mm f filtro d P = 10W lente apertura D W B = 95 2 cm sr λpeak = 546 nm

12 Confronto tra un laser e una sorgente termica Per rendere confrontabili le aree di coerenza devo selezionare una piccola parte della radiazione uscente dalla lampada 2 D coerente λ f d 0.32 A = π d 4 π D Ω = 4 f P out = B A Ω =10 W Per rendere confrontabili le larghezze spettrali e quindi i tempi di coerenza devo selezionare una piccola parte dello spettro della lampada P out = regime di fotoconteggio

13 Generazione di impulsi brevi ω ~ ω 2 ( ) 2 A ω e A( t) A( ω) ω t ~ i t 4 = e ω dω e Se un laser produce una radiazione con uno spettro molto largo e se le componenti di questo spettro sono in fase tra loro (mode-locking) si possono ottenere impulsi molto stretti. 2 2 Ti Al O t 35 : 2 3 = fs

14 Tipi di laser Laser a Stato Solido: Nd:YAG (Y 3 Al 5 O 12 ) 1064 nm ; Nd:YLF (YLiF 4 ) 1053 nm ; Nd:Glass (1053 nm) ; Cr:Al 2 O 3 (694 nm) Tm:Ho:YAG (2091nm) ; Er:YAG (2940nm) ; Yb:Er:Glass (1540 nm) Cr:BeAl 2 O 4 ( nm) ; Ti:Al 2 O 3 ( nm) ; Cr:LiSrAlF 6 ( nm) Diodo Laser: InGaAlP/GaAs ( nm) AlGaAs/GaAs ( nm) InGaAsP/InP ( nm) InGaAs/GaAs ( nm) InGaN (405 nm) DYE laser: 3,3 diethyl thiatricarbocyanine iodide (810nm) Rhodamine 6G (590nm) Coumarin ( nm) Laser a Gas: He-Ne (633 nm) He-Cd (416nm, 325nm) Ar + (514.5nm, 488nm) Vapori di Rame (510nm, 578nm) Excimer : ArF (193nm), KrF(248nm), XeF (351nm), XeCl (309nm) CO2 (10.6 µm, 9.6µm) CO (5 µm))

15 Tipi di laser (esempi) Nd:YAG impulsato barra di Nd:YAG DYE laser

16 Tipi di laser (esempi) Diodo Laser w f λ f = π w Laser a Gas excimer CO 2

17 Esempio di un sistema laser per la fotoemissione CPA

18 Chirped pulse amplification

19 Green pointer Laser a stato solido pompato da un laser a diodo + generazione di seconda armonica

20 Testi Consigliati Principles of Lasers, Orazio Svelto Lasers, A. E. Siegman Solid-State Laser Engineering, W. Koechner Internet:

21 Lezioni del corso

22 Info sulla sicurezza

23 Esposizioni massime permesse (EMP) Caso di un laser CW Esempio: laser He-Ne 633 nm da 2mW. In 1s di esposizione entrano nell occhio circa 2 mj di energia che è circa il limite di esposizione. Quindi anche un piccolo laser He-Ne è pericoloso.

24 Esposizioni massime permesse (EMP) Caso di un laser impulsato: La norma CEI 76-2 stabilisce che le EMP nel caso dei laser impulsati sono determinate utilizzando la più restrittiva della prescrizioni dei punti a) b) e c): a) L esposizione a ciascun impulso del treno non deve superare la EMP per un impulso singolo b) L irradiamento medio per un treno di impulsi di durata T non deve superare la EMP per un singolo impulso di durata T c) L esposizione a ciascun impulso non deve superare la EMP per un impulso singolo moltiplicato per il numero totale N di impulsi presenti nel treno durante il tempo di esposizione, elevato alla potenza -1/4 Esempio: Nd:YAG impulsato. 10nJ a impulso (ogni impulso è lungo 100ps) con rep. rate 100MHz. La potenza media è 1W quindi in 1s di esposizione abbiamo 1J che è circa 2 ordini di grandezza al di sopra dei limiti!

25 Occhiali di protezione Gli occhiali di protezione devono avere la densità ottica di sicurezza alla lunghezza d onda di interesse. L energia che arriva sull occhio data la densità ottica D è : E = 10 E laser D Quindi la densità ottica richiesta è: D = log Elaser EMP Si trova solitamente: D 3

26 Soglia per gli eritemi Nd:YAG 1W 1mm 2 He-Ne 2mW 1 mm 2

27 Classificazione dei LASER Classe I E < EMP Sicuri Classe II T<0.25s E<EMP T>0.25s P=1mW Classe III A Classe II x 5 Classe III B CW P<500mW Classe IV Oltre