Parte 3 - ENEA AFS Cell

LASER
Processi di pompaggio
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)
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.
2) Pompaggio mediante lampade flash
- usato nei laser a stato solido
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 %
Efficienza laser
Efficienza laser:
ηL
=
energia ottica dell’emissione laser
energia elettrica
Efficienza laser
Efficienza di diversi laser
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
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 (CO2, CF4, NOCl, SF6, NH3, 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
Eccitazione tramite pompaggio ottico
Schemi per realizzare inversione di popolazione tramite pompaggio ottico:
a) Laser a 3 livelli: pompaggio j k e inversione k i
Ek > Ei >> Ej + kT
(i livelli k e i non sono popolati prima del pompaggio)
Condizione per funzionamento in onda continua: (Nj0 – Ni0) τij-1 > (Ni0 – Nk0)τki-1
Ni0, Nj0, Nk0 – popolazioni di equilibrio prima del pompaggio
τij, τki – tempi di diseccitazione caratteristici.
b)
Schema con 3 livelli “invertita”
Ek >> Ej + kT > E
Condizione per funzionamento in onda continua: (Ns0 – Nk0) τks-1 > (Nj0 – Ns0)τsj-1
Questo schema e più difficile, meno efficiente, e quindi meno utilizzato.
Laser
Pompa
Pompa
Laser
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.
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 νp
in unità di volume di gas:
potenza assorbita
W [s-1] – velocità di pompaggio supponendo che il livello superiore è nepopolato
hνp – 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 Iν [W m-2] alla frequenza νp.
σ [m2] – sezione trasersale dell’assorbimento
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 Eνp [J m-3]
dove:
c – velocità della luce
- efficienza di conversione energetica
λp
E
δ= δ
Efficienza di conversione energetica: η =
2λ
Ep
E/Ep - Efficienza di estrazione
p,
- lunghezza d’onda della radiazione di pompaggio, rispettiv. radiazione emessa da laser
Ep, 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 CF4 con il laser a CO2 (riga 9R(12) della banda 9,4 µm),
- per = 1,1x10-4 cm-1torr-1, p = 3,5 torr è necessario che L = 3,5 m;
- per = 16,26 µm
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 10-23 J/K).
A* + B
A+B* + ∆E
• Un metodo efficiente per pompare la molecola di CO2: N2*+CO2
N2+CO2* + ∆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
NA – popolazione dello stato superiore della specie A
NB – popolazione dello stato inferiore della specie B
v – velocità relativa dei 2 atomi
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:
A* + BC
A + BC* + ∆E
Esempi:
- 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):
A* + BC
A + B* + C* + ∆E
Esempio:
- Hg* + CH2CF2
Hg + CHCF + HF* + ∆E
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- – Ec
A, A* - atomo, molecola o ione in stato fondamentale, rispettivamente eccitato
Ec - energie cinetica rilasciata dall’elettrone in scarica
Gli urti possono essere:
- elastici (Ec del e- non si modifica, e- cambia solo la sua direzione)
contribuiscono all’eccitazione)
non
- inelastici (Ec 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.
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/s cm2)
densità di evelocità dei esezione trasversale d’urto
• la variazione nel tempo della popolazione su livello N2 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, vD – velocità di drift, e - carica elettrica)
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).
EA
EB 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-
LASER
Regimi di funzionamento di un laser.
Laser cw, laser impulsati, Q-switch
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 τp.
Potenza [w]
Potenza [w]
Il modo più semplice di generare impulsi è interompere periodicamente un fascio
laser continuo con un otturatore comandato o un disco rotativo con buchi.
Tempo [s]
Regime continuo
Tempo [s]
Regime impulsato ottenuto interompendo
periodicamente un fascio continuo
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.
Potenza [w]
Tp – periodo
τp – durata del impulso
fr – frequenza di ripetizione
Pp – potenza di picco
PAV – potenza media
1
Tp =
fr
PAV
PAV =
τp
Tp
Tempo [s]
Pp
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.
τp ~ 10-4 s
Essempio: il laser a CO2 con superpolso ha potenza di picco di centinaia di W,
rispetto 20 - 30 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].
E
Potenza media: PAV =
Tp
Duty cycle:
δ = τ p fr
spento
continuo
δ ∈ [0,1]
Regimi di funzionamento di un laser
Regimi di funzionamento di un laser
Q – fattore di qualità della cavità (comuta
da un valore minimo a un valore
massimo)
Pp
τp ~ 10-9 s
Potenza [W]
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).
Tempo [s]
LASER
Tipi di sorgenti laser: laser a gas,
laser a stato solido, diodi laser
Classificazione dei laser
Secondo il materiale attivo:
Altre comuni classificazioni del laser secondo:
(UV, IR, VIS)
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.
LASER a gas
il grande numero
,solo
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.
LASER a gas – He-Ne
Pompaggio del LASER a Elio-Neon (He-Ne)
LASER a gas – eccimeri
LASER a gas – eccimeri
Tipi di laser a gas
Mezzo e tipo di
amplificazione
laser
Lunghezza d'onda operativa
632.8 nm (543.5 nm, 593.9
Laser a elio-neon nm, 611.8 nm, 1.1523 µm,
1.52 µm, 3.3913 µm)
454.6 nm, 488.0 nm, 514.5 nm
(351 nm,457.9 nm, 465.8 nm,
Laser ad argo
476.5 nm, 472.7 nm, 528.7
nm)
416 nm, 530.9 nm, 568.2 nm,
Laser al kripton
647.1 nm, 676.4 nm, 752.5
nm, 799.3 nm
Molte righe spettrali
Laser a ioni di
dall'ultravioletto fino
xeno
all'infrarosso.
Laser ad azoto
337.1 nm
Sorgente di pompaggio
Usi e note
Scarica elettrica
Interferometria, olografia, spettroscopia, scansione di
codici a barre, allineamento, dimostrazioni ottiche.
Scarica elettrica
Fototerapia retinica (per diabete), litografia,
microscopia confocale, pompaggio di altri laser.
Scarica elettrica
Ricerca scientifica, mescolati con argo per ottenere
laser a luce bianca per giochi di luci.
Scarica elettrica
Ricerca scientifica.
Scarica elettrica
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.
Laser ad anidride
10.6 µm, (9.4 µm)
carbonica
Scarica elettrica
trasversale (alta potenza) Lavorazione di materiali (taglio, saldatura, etc.).
o longitudinale (bassa
Chirurgia.
potenza)
Laser a
monossido di
carbonio
2.6 to 4 µm, 4.8 to 8.3 µm
Scarica elettrica
Laser a eccimeri
Ricombinazione di
193 nm (ArF), 248 nm (KrF),
eccimeri con una scarica
308 nm (XeCl), 353 nm (XeF)
elettrica
Lavorazione di materiali (incisione, saldatura etc.),
spettroscopia fotoacustica.
Litografia ultravioletta per fabbricazione di circuiti
integrati, chirurgia laser, LASIK.
http://it.wikipedia.org/wiki/Lista_di_tipi_di_laser
Schema di principio di un LASER a stato solido
LASER a stato solido - Titanio:Zaffiro
LASER a stato solido - Neodimio
Tipi di laser a stato solido
Mezzo e tipo di
amplificazione laser
Lunghezza d'onda
operativa
Sorgente di pompaggio
Laser a rubino
694.3 nm
Lampada stroboscopica
Laser Nd:YAG
1.064 µm, (1.32 µm)
Lampada stroboscopica,
diodo laser
Laser Er:YAG
2.94 µm
Laser Nd:YLF
1.047 e 1.053 µm
Laser Nd:YVO4
1.064 µm
Laser Nd:YCOB
(Nd:YCa4O(BO3)3)
~1.060 µm (~530 nm
alla seconda
diodo laser
armonica)
Laser Neodimio-vetro
(Nd:Glass)
~1.062 µm (vetri ai
silicati), ~1.054 µm
(vetri ai fosfati)
Lampada stroboscopica,
diodo laser
Lampada stroboscopica,
diodo laser
diodo laser
Lampada stroboscopica,
diodo laser
Laser titanio-zaffiro (Ti:zaffiro) 650-1100 nm
Altri laser
Laser Tm:YAG (Tm:YAG)
2.0 µm
Laser itterbio:YAG (Yb:YAG)
1.03 µm
Laser Olmio:YAG (Ho:YAG)
2.1 µm
diodo laser
Diodo laser, lampada
stroboscopica
diodo laser
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.
Lidar.
Raffreddamento ottico, lavorazione materiali, ricerca sugli impulsi
ultrabrevi, microscopia multifotonica, Lidar.
Ablazione tissutale, rimozione di calcoli renali, odontoiatria.
Laser a semiconduttore - diodo
Laser a semiconduttore - diodo
Laser a semiconduttore - diodo
Laser a semiconduttore - diodo
Tipi di laser a semiconduttore
Mezzo e tipo di
amplificazione
laser
Diodo laser a
semiconduttore
(informazioni
generiche)
GaN
Lunghezza
Sorgente di
d'onda
pompaggio
operativa
0.4-20 µm, a
seconda del
materiale della
regione attiva.
0.4 µm
AlGaAs
0.63-0.9 µm
InGaAsP
1.0-2.1 µm
sali di piombo
Vertical cavity
surface emitting
laser (VCSEL)
3-20 µm
850 - 1500 nm,
a seconda del
materiale
Laser a cascata
quantica
Dal medio al
lontano
infrarosso.
Ricerca, applicazioni future
includono radar anticollisione,
controllo di processi industriali e
strumenti di diagnosi medica come
analizzatori del fiato.
Laser ibridi al
silicio
Medio
infrarosso
Ricerca
Corrente
elettrica
Usi e note
Telecomunicazioni, olografia,
stampa laser, armamenti,
macchinari, saldatura, sorgenti di
pompaggio per altri laser.
Dischi ottici
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.
Telecomunicazioni, pompaggio di
altri laser a stato solido, lavorazioni
industriali, applicazioni mediche.
Telecomunicazioni
Schema di principio di un LASER con colorante
Lunghezze d’onda di emissione dei laser
L’intervallo spettrale 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).
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 N2 (337 nm) implusati.
• λmin in emissione continua: He-Cd (325 nm).
continuo
impulsato
Laser con emissione nel visibile
elettroni
Laser con emissione nell’IR