LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

EMISSIONE Spontanea Stimolata

EMISSIONE STIMOLATA

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

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

Il mezzo attivo determina La lunghezza d’onda del laser Il metodo di pompaggio L’ordine di grandezza dell’intensità L’efficienza

CAVITA’ LASER

CAVITA’ LASER Il mezzo attivo è confinato in una cavità, regione chiusa tra 2 specchi Le sole lunghezze d’onda 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

MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI TEM: Transverse Electric and Magnetic field

MODI LONGITUDINALI

MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI

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

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

LASER A 3 LIVELLI 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 l’azione del laser

LASER A 4 LIVELLI VELOCE STATO METASTABILE POMPAGGIO EFFICIENTE RILASSAMENTO VELOCE

SORGENTI TRADIZIONALI E SORGENTI LASER

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

Misura di distanze mediante laser Osservatorio McDonald Apollo 11 D(terra-luna) ~ 385000 km, accuratezza: ~ 3 cm!

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

MONOCROMATICITA’ n = n c / 2 L’ n’ = n’ c / 2 Le

BRILLANZA I (W/m2) fotoni/V fotoni/modo LAMPADA Hg 104 1014 10-2 LASER CONTINUO 109 LASER PULSATO 1012 1022 1017 Spettroscopia : ottica non lineare - Raman Chimica: fotochimica

BRILLANZA Radiazione solare sulla terra 0.1 W/cm2 Lampadina 1 Puntatore laser 100 Laser continuo focalizzato 109 Laser pulsato 1021

ORDINE INTERNO ASSENTE FREQUENZE E FASI DIVERSE RADIAZIONE INCOERENTE ORDINE INTERNO ASSENTE FREQUENZE E FASI DIVERSE

ONDE CON FREQUENZE E FASI IDENTICHE RADIAZIONE COERENTE ORDINE INTERNO ONDE CON FREQUENZE E FASI IDENTICHE

COERENZA TEMPORALE COERENZA SPAZIALE

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.

COERENZA Spettroscopia : interferenza tra fasci separati - CARS

LASER A ONDA CONTINUA PULSATI

LASER PULSATI

LASER PULSATI

COMMUTAZIONE Q CELLA DI POCKELL Polarizzatore Modulazione Polarizzatore di voltaggio CELLA DI POCKELL

MATERIALI BIRIFRANGENTI Vista di fronte Raggio ordinario Raggio straordinario Cristallo birifrangente

Polarizzatore Cella di Pockell Specchio

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

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

VINCOLO IN FASE

VINCOLO IN FASE

EFFETTO KERR Mezzo Kerr (n = n0 + n2I) Fascio di bassa intensità Impulso ultrabreve di alta intensità Impulso focalizzato

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

EFFETTO KERR

IMPULSI BREVI DURATA IMPULSO (sec) PUREZZA SPETTRALE (cm-1) 10-6 = 1 micro sec 5 10-6 10-9 = 1 nano sec 0.005 10-12 = 1 pico sec 5 10-15 = 1 femto sec 5000 10-18 = 1 atto sec 5 106 Spettroscopia : dinamica di nuclei ed elettroni

 lunghi cammini ottici – Raman non lineare b) monocromaticità 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

Potenza delle sorgenti di energia e consumi di energia Potenza di impulsi brevi flash bomba lampo Laser di potenza 1watt 1kilowatt = 103W 1megawatt = 106W 1terawatt = 109W 1gigawatt 1petawatt = 1012W lampadina Centrale nucleare mondo auto Cucina elettrica Piccola citta‘ Germania sole Potenza in continuo

CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DEI LASER Lo stato della materia del mezzo attivo: solido, liquido, gas, plasma Il campo delle lunghezze d’onda: 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

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