Il Laser LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: è un oscillatore ottico. Fu realizzato per la prima volta nel 1960 ed è basato.

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1 Il Laser LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: è un oscillatore ottico. Fu realizzato per la prima volta nel 1960 ed è basato sullutilizzo dellemissione stimolata. Oggi i laser sono utilizzati per svariatissimi impieghi dalle TC al taglio dei metalli, alle applicazioni biomedicali, alle misure ecc. Hanno potenze diversissime da < mW a MW Emissione indotta: consideriamo un sistema atomico a due livelli 1 e 2 con n 1 ed n 2 atomi/m 3 presenti ad un certo istante rispettivamente nei livelli 1 e 2 In a è mostrato il fenomeno dellemissione spontanea: latomo decade da 2 ad 1 con lemissione di un fotone. I vari atti emissivi sono scorrelati tra loro ed i fotoni sono emessi casualmente in tempo (fase), direzione e polarizzazione. Solo la frequenza ν è fissa e legata dalla legge di Bohr: ν = (E 1 – E 2 )/h. In c è mostrato il fenomeno dellassorbimento: un fotone di frequenza ν incide sul sistema atomico e latomo si porta dallo stato 1 allo stato 2: il fotone sparisce e la sua

2 energia si ritrova in energia di eccitazione degli atomi. In b è mostrato il fenomeno dellemissione indotta: se sul sistema atomico, che si trova nello stato 2, incidono fotoni con la frequenza data sempre dalla legge di Bohr la probabilità di decadimento è aumentata rispetto alla probabilità di decadimento spontaneo. I tre eventi sono regolati dalle leggi: I coefficienti A e B, detti coefficienti di Einstein, rappresentano la probabilità con cui avvengono le rispettive transizioni e dipendono dalla struttura dellatomo e dai suoi livelli. Sono anche in relazione con la vita media del livello 2. Si verifica che B(2,1) = B (1,2) Una fondamentale differenza tra emissione spontanea ed indotta è che questultima (al pari dellassorbimento) avviene in fase con il fotone stimolante; inoltre il fotone emesso ha la stessa direzione e polarizzazione del fotone stimolante. I fotoni emssi per emissione stimolata si aggiungono ai fotoni stimolanti: assorbimento negativo. Consideriamo ora uno strato di materiale composto dagli atomi di cui sopra. Su questo strato incida un fascio collimato di radiazione di frequenza ν

3 Si avrà: dI = BI (n 2 -n 1 ) hν dx. Ora si avrà: dI/dx > 0 se n 2 > n 1. Lo strato agisce da amplificatore della radiazione di frequenza ν. Si è trascurato il contributo dellemissione spontanea perché essa avviene in tutte le direzioni ed il contributo al fascio idealmente collimato è trascurabile. Nei materiali ordinari in equilibrio termodinamico la distribuzione degli atomi tra i vari livelli è regolata dalla legge di Boltzmann: Dove W i,j è la differenza di energia E 2 - E 1 tra i due livelli. Si vede quindi che i livelli più bassi in energia sono sempre più popolati che quelli elevati: in equilibrio termico prevale lassorbimento sullemissione indotta. Inoltre: kT (300 K) 30 µm. Inversione di popolazione materiale attivo Per avere un materiale amplificatore bisogna quindi avere: n 2 > n 1. Inversione di popolazione. Tale condizione si può ottenere in diversi modi: ad es. illuminando il materiale con radiazione di frequenza opportuna o usando una scarica elettrica nel caso di gas oppure ancora iniettando elettroni e lacune nella giunzione di un semiconduttore. Loperazione di creazione di inversione è detta pompaggio. Il pompaggio quindi porta atomi sui livelli eccitati e crea uninversione di popolazione. Un materiale in cui si è creata inversione di popolazione prende il nome di materiale attivo.

4 Avendo ora un materiale amplificatore si può ottenere loscillazione con il meccanismo: Amplificatore + reazione positiva = Oscillatore. In campo ottico la reazione positiva si realizza inserendo il materiale in una cavità ottica. Un semplice caso di cavità ottica è rappresentato dalla cavità a specchi piani e paralleli o cavità Fabry-Perot. Il fascio viaggia avanti e indietro (onda piana) riflettendosi agli specchi e amplificandosi nel passaggio per il materiale attivo. Il fascio utile in uscita si ottiene rendendo uno degli specchi parzialmente trasmittente. Loscillazione partirà quando il guadagno nel materiale attivo supera le perdite della cavità. Proprietà radiazione laser: -Direzionalità : è principalmente dovuta alla cavità: solo la direzione perpendicolare agli specchi (o prossime) possono oscillare: tipici valori sono di < 1 mrad -Monocromaticità: solo la transizione 2 -- 1 presenta guadagno. Inoltre bisogna tenere in considerazione i modi della cavità: solo le frequenze esatte dei modi possono riflettersi e oscillare: Valori tipici per la larghezza di banda in uscita possono essere anche di pochi Hz (raffrontati alla portante di 500 THz)

5 Da cui ne segue che la brillanza (potenza per unità di superficie per unità di angolo solido) di un laser è molti ordini di grandezza superiore a quella delle più potenti sorgenti ordinarie. E la brillanza linvariante in un sistema ottico non lintensità.