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LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

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Presentazione sul tema: "LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation."— Transcript della presentazione:

1 LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

2 EMISSIONE Spontanea Stimolata

3 EMISSIONE STIMOLATA

4 I fotoni prodotti per emissione stimolata hanno proprietà uniche: Il fotone emesso ha la stessa λ del fotone incidente la stessa direzione del fotone incidente la stessa fase del fotone incidente

5 MEZZO ATTIVO a)Equilibrio termico: più atomi nello stato fondamentale b)Atomi sono pompati in stati eccitati per creare inversione di popolazione : più atomi nello stato eccitato c)Si ha una cascata di radiazione quando un fotone emesso ne stimola un altro ad emettere

6 Il mezzo attivo determina La lunghezza donda del laser Il metodo di pompaggio Lordine di grandezza dellintensità Lefficienza

7 CAVITA LASER

8 Il mezzo attivo è confinato in una cavità, regione chiusa tra 2 specchi Le sole lunghezze donda che possono risuonare tra i 2 specchi devono soddisfare: Altrimenti si ha interferenza distruttiva Le onde elettromagnetiche generate dal laser sono tutte in fase (coerenti) perché la radiazione per emissione stimolata è esattamente in fase con i fotoni che la stimolano Lunghezza della cavità

9 MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI TEM: Transverse Electric and Magnetic field

10 MODI LONGITUDINALI

11 MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI

12 Separazione tra i modi L = 50 cm = 300 MHz = 0.01 cm -1 Modi della cavità

13 COMPONENTI ESSENZIALI DI UN LASER MEZZO ATTIVO CAVITA SPECCHIO RIFLETTENTE 100% MEZZI DI ECCITAZIONE (pompaggio ottico, elettrico, chimico, …) SPECCHIO SEMIRIFLETTENTE

14 POMPAGGIO : la transizione I X avviene in seguito ad un flash intenso di luce o ad una scarica elettrica La transizione A I avviene rapidamente in maniera non-radiativa X A : è lazione del laser LASER A 3 LIVELLI

15 LASER A 4 LIVELLI VELOCE STATO METASTABILE RILASSAMENTO VELOCE POMPAGGIO EFFICIENTE

16 SORGENTI TRADIZIONALI E SORGENTI LASER

17 DIREZIONALITA Ampiezza relativa Spettroscopia : lunghi cammini ottici Chimica: trattamenti localizzati di superfici

18 Misura di distanze mediante laser Osservatorio McDonald Apollo 11 D(terra-luna) ~ km, accuratezza: ~ 3 cm!

19 MONOCROMATICITA Spettroscopia : risoluzione elevata - Raman Chimica: reazioni specifiche di un legame

20 n = n c / 2 L n = n c / 2 L e MONOCROMATICITA

21 BRILLANZA I (W/m 2 )fotoni/Vfotoni/modo LAMPADA Hg LASER CONTINUO LASER PULSATO Spettroscopia : ottica non lineare - Raman Chimica: fotochimica

22 BRILLANZA Radiazione solare sulla terra0.1 W/cm 2 Lampadina 1 Puntatore laser 100 Laser continuo focalizzato10 9 Laser pulsato 10 21

23 RADIAZIONE INCOERENTE ORDINE INTERNO ASSENTE FREQUENZE E FASI DIVERSE

24 RADIAZIONE COERENTE ORDINE INTERNO ONDE CON FREQUENZE E FASI IDENTICHE

25 COERENZA TEMPORALE COERENZA SPAZIALE

26 COERENZA La lunghezza di coerenza da sorgenti termiche va da pochi mm a decine di cm. La lunghezza di coerenza di un laser può arrivare ad alcuni km.

27 COERENZA Spettroscopia : interferenza tra fasci separati - CARS

28 LASER A ONDA CONTINUA PULSATI

29 LASER PULSATI

30

31 CELLA DI POCKELL COMMUTAZIONE Q Polarizzatore Modulazione Polarizzatore di voltaggio

32 MATERIALI BIRIFRANGENTI Vista di fronte Raggio ordinario Raggio straordinario Cristallo birifrangente

33 Polarizzatore Cella di Pockell Specchio

34 CELLA DI POCKEL 1 Propagazione verso lo specchio Il fascio polarizzato linearmente si trasforma in fascio polarizzato circolarmente Radiazione polarizzata circolarmente Radiazione polarizzata piana Cella di Pockel

35 2 Fascio riflesso La polarizzazione circolare ha invertito il proprio senso di rotazione. 3 Il fascio polarizzato circolarmente si trasforma in fascio polarizzato linearmente, ma in un piano ortogonale rispetto al piano iniziale Polarizzata circolarmente dopo riflessione Polarizzata piana perpendicolarmente al piano originale

36 VINCOLO IN FASE

37

38 EFFETTO KERR Fascio di bassa intensità Impulso ultrabreve di alta intensità Mezzo Kerr (n = n 0 + n 2 I) Impulso focalizzato

39 Laser pulsato mediante vincolo in fase CW Pulsato Potenza Tempo Potenza Tempo c/2l Barriera Perdite elevate Perdite basse

40 EFFETTO KERR

41 IMPULSI BREVI DURATA IMPULSO (sec) PUREZZA SPETTRALE (cm -1 ) = 1 micro sec = 1 nano sec = 1 pico sec = 1 femto sec = 1 atto sec Spettroscopia : dinamica di nuclei ed elettroni

42 Radiazione LASER : Proprietà a) direzionalità lunghi cammini ottici – Raman non lineare b) monocromaticità alta risoluzione - Raman c) brillanza processi a molti fotoni - Raman d) coerenza spaziale e) coerenza temporale interferenza tra fasci separati - CARS f) impulsi ultra-brevi fenomeni su scala di femto ed attosecondo

43 Potenza delle sorgenti di energia e consumi di energia Potenza di impulsi brevi Potenza in continuo 1watt 1kilowatt = 10 3 W 1megawatt = 10 6 W 1terawatt = 10 9 W 1gigawatt = 10 9 W 1petawatt = W lampadina Cucina elettrica auto Piccola cittaGermania mondoCentrale nucleare sole lampobombaflash Laser di potenza

44 CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DEI LASER Lo stato della materia del mezzo attivo: solido, liquido, gas, plasma Il campo delle lunghezze donda: visibile, IR, … Il metodo di pompaggio: ottico, elettrico, chimico, … Le caratteristiche della radiazione: continua, pulsata Il numero di livelli energetici che partecipano al processo laser: 2, 3, 4

45 Laser – Applicazioni –Commercio Compact disk, stampanti laser, fotocopiatori, lettori di codici a barre, comunicazioni ottiche, ologrammi, puntatori laser –Industria Misure di distanze, allineamento, lavorazione di materiali (taglio, perforazione, saldatura, ricottura, fotolitografia, etc.) –Medicina Chirurgia (occhi, dermatologia, generale), diagnostica, oftalmologia, oncologia –Ricerca Spettroscopia, fusione nucleare, raffreddamento di atomi, interferometria, fotochimica, studio di processi veloci –Militari Navigazione, simulazione, guida di armi


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