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Concetti fondamentali sui laser

laser

Il laser è l’abbreviazione di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. È un dispositivo per la generazione di fasci di luce o radiazione coerente ad alta monocromaticità e radianza. Utilizza infatti fenomeni atomici di amplificazione della radiazione per emissione stimolata.

La tecnologia laser si basa sul concetto di salto di livello elettronico degli atomi interessati al fenomeno. Chiamiamo E1 ed E2 le energie corrispondenti a due livelli dello stesso atomo e supponiamo E1 < E2. L’atomo può effettuare tra i livelli 1 e 2 tre tipi di transizioni radiative:

  • laserEmissione spontanea: si produce anche quando l’atomo è completamente isolato e non è provocata da nessuna causa esterna. Gli atomi che si trovano nel livello e di energia superiore E2 possono rimanere in questo stato soltanto per un breve periodo di tempo. Successivamente effettuano spontaneamente la transizione decadendo ad un livello di energia inferiore E1. In tal modo restituiscono l’energia eccedente sotto forma di fotone di frequenza ν. L’istante nel quale si produce la transizione è variabile da un atomo all’altro. È un fenomeno totalmente stocastico. Tuttavia si può definire una durata di vita media come la durata di vita media di un nucleo radioattivo. Emessi in momenti aleatori, questi fotoni sono ugualmente inviati in tutte le direzioni. In media si distribuiscono in proporzioni uguali in ciascuna di queste direzioni.
  • Assorbimento stimolato: un fotone dell’onda risonante interagisce con gli atomi che sono nel livello inferiore E1. Il numero di fotoni assorbiti per unità di tempo risulta proporzionale alla popolazione del livello energetico inferiore ed alla densità spettrale di energia dell’onda alla frequenza di risonanza determinabile mediante la legge di Planck.
  • Emissione stimolata: è il fenomeno del tutto simmetrico a quello dell’assorbimento. Consiste nell’emissione di un fotone identico a quelli dell’onda incidente da parte degli atomi che sono nel livello di energia superiore E2. Tali atomi passano così al livello inferiore E1. Il numero di fotoni prodotti da emissione indotta nell’unità di tempo è proporzionale alla popolazione del livello E2 ed alla densità di energia spettrale dell’onda incidente. Tale fenomeno fornisce una legge del tutto speculare a quella precedentemente osservata. Il fotone emesso è inviato nella stessa direzione del fascio che lo ha originato e la sua propagazione segue l’andamento del medesimo fascio.

L’amplificazione del fascio luminoso per effetto di una emissione stimolata procede con la ricerca dell’aumento della densità di radiazione e della popolazione del livello energetico superiore E2 rispetto al livello energetico inferiore E1. L’inversione della popolazione, come si evince da quanto detto finora, si realizza grazie ad un sistema di pompaggio, che presiede alla funzione di rifornire energia in gran quantità dall’esterno verso il sistema, in modo da stabilire una condizione di saturazione in cui il guadagno energetico compensa esattamente le immancabili perdite generatesi all’interno della cavità ottica, creando così una situazione di non equilibrio necessaria al sostentamento nel tempo della sorgente laser.

I laser possono identificarsi principalmente in due specie, distinte tra loro dal numero di livelli energetici interessati ai fenomeni di assorbimento ed emissione: ˆ

  1. taglio laserSe il pompaggio ha origine nello stato fondamentale 1 e termina nello stato eccitato 3, ed il fenomeno della transizione dal livello 3 verso il livello 2 è repentino, allora e si parla di laser a 3 livelli.
  2. Se il livello di partenza considerato è superiore a quello fondamentale, allora si e parla di laser a 4 livelli. In questo caso è evidente come il pompaggio non sia elevato, con enorme risparmio energetico rispetto al caso precedente.

Le caratteristiche principali proprie della maggior parte dei fasci laser possono condensarsi nelle seguenti:

  • monocromaticità;
  • direzionalità;
  • focalizzabilità;
  • coerenza.

Monocromaticità e direzionalità

Le proprietà di coerenza temporale e monocromaticità sono legate con il meccanismo di emissione stimolata. La transizione degli elettroni si verifica tra livelli energetici ben definiti. La fluttuazione è dovuta ad effetti di secondo ordine come ad esempio l’effetto Doppler. Questo porta ad una lunghezza d’onda di emissione altrettanto ben definita, cioè monocromatica. La stessa cavità può portare ad una selezione dei modi di oscillazione, adottando ad esempio modi o cosiddetti TEM (modi elettromagnetici trasversali) tali da variare notevolmente le caratteristiche del fascio laser in base alle proprie esigenze.

La coerenza e la direzionalità sono strettamente dipendenti dalle caratteristiche della cavità. Infatti è in essa che le oscillazioni si stabiliscono come onde elettromagnetiche e stazionarie con nodi di vibrazione agli specchi, permettendo al fascio di mantenersi non solo coerente temporalmente, ma anche spazialmente. Le tipologie di laser si distinguono principalmente in base al mezzo attivo impiegato all’interno del risonatore, in quanto è proprio il materiale che lo costituisce a conferire le peculiarità al fascio come lunghezza d’onda, pompaggio richiesto, potenza di emissione, ecc.

Emissione impulsata ed emissione continua

Una ulteriore distinzione può effettuarsi in base al regime di funzionamento. L’emissione continua (CW) è identificata da una potenza del fascio costante. L’emissione impulsata è caratterizzata dal portare l’inversione di popolazione nel mezzo attivo a livelli molto alti impedendo l’azione laser. Successivamente in un tempo molto breve si permette l’amplificazione e la propagazione del fascio. In questo modo si ottengono potenze di picco alte (alcuni MW). Il guadagno è infatti molto maggiore delle perdite, e gli impulsi molto brevi (pochi ns).

Il risonatore ottico presente in un laser è l’elemento che purifica la radiazione. La seleziona inoltre in base alla frequenza, alla sua direzione ed alla sua coerenza. In genere esso si compone di due specchi tra loro contrapposti tra i quali si pone il cosiddetto mezzo attivo. Tale mezzo identifica il laser stesso. Ad esempio il laser a CO2 è dato da una miscela di gas, con una percentuale rilevante di anidride carbonica. La semplice geometria del risonatore ottico stabilisce molte delle caratteristiche dei laser. L’espressione percentuale della capacità riflettente a degli specchi indica qual è la componente del fascio in uscita dal sistema progettato. Similmente come il raggio di curvatura degli specchi consente di determinare a priori la direzione del fascio.

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