LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

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 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

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

7 CAVITA’ LASER

8 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

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

10 MODI LONGITUDINALI

11 MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI

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

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

14 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

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

16 SORGENTI TRADIZIONALI E SORGENTI LASER

17 DIREZIONALITA’ Spettroscopia : lunghi cammini ottici
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 MONOCROMATICITA’ n = n c / 2 L’ n’ = n’ c / 2 Le

21 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

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

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

24 ONDE CON FREQUENZE E FASI IDENTICHE
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 LASER PULSATI

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

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

33 Polarizzatore Cella di Pockell Specchio

34 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

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 VINCOLO IN FASE

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

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

40 EFFETTO KERR

41 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

42  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

43 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

44 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

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