Immaginate di poter sfruttare un fascio di luce abbastanza potente da tagliare l'acciaio o eseguire interventi chirurgici delicati. Questo articolo si addentra nell'affascinante mondo della tecnologia laser, esplorando i componenti e i principi fondamentali che rendono possibile il laser. Dal mezzo attivo al risonatore ottico, ogni elemento svolge un ruolo cruciale nella generazione e nell'amplificazione della luce laser. I lettori acquisiranno una comprensione completa del funzionamento dei laser e della scienza alla base di questa tecnologia rivoluzionaria. Preparatevi a scoprire i segreti di questi straordinari fasci di luce!
La struttura di base del laser è illustrata nella Figura 1 e consiste nei seguenti componenti:
La produzione di luce laser richiede un mezzo attivo adeguato, che può essere un gas, un liquido, un solido o un semiconduttore. In questo mezzo è possibile ottenere l'inversione di popolazione per creare le condizioni necessarie alla generazione della luce laser. L'esistenza di livelli energetici metastabili facilita notevolmente l'inversione di popolazione.
Sono disponibili quasi mille tipi di supporti attivi, in grado di produrre lunghezze d'onda laser che vanno dall'ultravioletto all'infrarosso lontano, coprendo un ampio spettro.
Come cuore del laser, il mezzo attivo è costituito da particelle attivatrici (tipicamente metalli) e da una matrice. La struttura dei livelli energetici delle particelle attivatrici determina le caratteristiche spettrali e la durata della fluorescenza del laser, mentre la matrice determina principalmente le proprietà fisiche e chimiche del mezzo attivo.
I laser possono essere suddivisi in sistemi a tre livelli (come i laser a rubino) e a quattro livelli (come i laser Nd:YAG) in base alla struttura del livello energetico delle particelle attivatrici. Le forme comunemente utilizzate per il mezzo attivo sono cilindriche (le più diffuse), planari, a disco e tubolari.
Per ottenere l'inversione di popolazione nel mezzo attivo, gli atomi devono essere eccitati in un certo modo per aumentare il numero di particelle ai livelli energetici più alti. L'emissione laser continua richiede un "pompaggio" costante per mantenere una popolazione di particelle più elevata al livello energetico superiore rispetto a quello inferiore, per cui la fonte di pompaggio esterna viene anche chiamata sorgente di pompaggio.
La sorgente di pompaggio fornisce l'energia per invertire la popolazione tra i livelli di alta e bassa energia; il pompaggio ottico è il metodo principale utilizzato oggi. La sorgente di pompaggio deve soddisfare due condizioni fondamentali: deve avere un'elevata efficienza luminosa e le sue caratteristiche spettrali devono corrispondere allo spettro di assorbimento del mezzo attivo. Le sorgenti di pompaggio più comuni sono le lampade a scarica di gas inerte, l'energia solare e i laser a diodi.
Le lampade a scarica di gas inerte sono le fonti di pompaggio più comunemente utilizzate. Il pompaggio a energia solare è spesso utilizzato per dispositivi a bassa potenza, in particolare per i laser di piccole dimensioni nelle applicazioni spaziali che possono utilizzare l'energia solare come fonte di alimentazione permanente. Il pompaggio a diodi rappresenta la direzione futura dei laser a stato solido, combinando molti vantaggi e diventando uno dei laser a più rapido sviluppo.
I metodi di pompaggio dei diodi possono essere suddivisi in due tipi: pompaggio trasversale (pompaggio end-face con incidenza coassiale) e pompaggio longitudinale (pompaggio laterale con incidenza verticale).
I laser a stato solido pompati a diodi presentano numerosi vantaggi, tra cui una lunga durata, una buona stabilità di frequenza e una distorsione ottica termica minima. Il vantaggio principale è l'elevata efficienza di pompaggio, dovuta alla precisa corrispondenza tra la lunghezza d'onda della luce di pompa e lo spettro di assorbimento del mezzo attivo.
La cavità di focalizzazione ha due funzioni: accoppia efficacemente la sorgente di pompa con il mezzo attivo e determina la distribuzione della densità della luce di pompa sul mezzo attivo, influenzando così l'uniformità, la divergenza e la distorsione ottica del fascio di uscita.
Poiché sia il mezzo attivo che la sorgente di pompa sono installati all'interno della cavità di focalizzazione, la sua qualità influisce direttamente sull'efficienza e sulle prestazioni della pompa. Le cavità di focalizzazione a cilindro ellittico sono le più utilizzate nei piccoli laser a stato solido.
Il risonatore ottico è costituito essenzialmente da due specchi altamente riflettenti posti faccia a faccia alle estremità del laser. Uno specchio è completamente riflettente mentre l'altro lo è parzialmente, consentendo alla maggior parte della luce di essere riflessa mentre una piccola quantità viene trasmessa all'esterno, producendo luce laser. La luce riflessa nel mezzo attivo continua a indurre nuove emissioni stimolate, amplificando la luce.
La luce oscilla avanti e indietro all'interno del risonatore, provocando una reazione a catena e un'amplificazione a valanga, con conseguente emissione di luce laser intensa dall'estremità dello specchio parzialmente riflettente.
Il risonatore ottico non solo fornisce un feedback ottico per sostenere l'oscillazione continua del laser e l'emissione stimolata, ma limita anche la direzione e la frequenza del fascio di luce oscillante per garantire l'elevata monocromaticità e l'alta direttività del laser in uscita. Il risonatore ottico più semplice e più comunemente utilizzato per i laser a stato solido è costituito da due specchi piani (o sferici) che si fronteggiano.
I sistemi di raffreddamento e filtraggio sono dispositivi ausiliari indispensabili per un laser. I laser generano un notevole calore durante il funzionamento, rendendo necessarie misure di raffreddamento. Il sistema di raffreddamento raffredda principalmente il mezzo attivo del laser, la sorgente di pompaggio e la cavità di focalizzazione per garantire il normale funzionamento del laser e proteggere le apparecchiature.
I metodi di raffreddamento includono liquido, gas e conduzione, con il raffreddamento a liquido che è il più utilizzato. Inoltre, per ottenere un fascio laser con elevata monocromaticità, è necessario filtrare l'uscita. Il sistema di filtraggio è in grado di rimuovere la maggior parte della luce di pompa e altre interferenze, ottenendo un fascio laser in uscita di elevata qualità monocromatica.
Prendiamo come esempio il laser a rubino per spiegare il principio di funzionamento di un laser. Il mezzo attivo è una barra di rubino. Il rubino è un cristallo di ossido di alluminio drogato con una piccola quantità di ioni di cromo trivalente, in genere con un rapporto di massa di ossido di cromo di circa 0,05%. Poiché gli ioni di cromo assorbono la luce verde e blu dalla luce bianca, la gemma appare di colore rosa.
Il rubino utilizzato da Maiman nel primo laser inventato nel 1960 era una barra cilindrica con un diametro di 0,8 cm e una lunghezza di circa 8 cm. Le sue estremità sono costituite da una coppia di specchi piani paralleli, uno rivestito con una pellicola completamente riflettente e l'altro con un tasso di trasmissione di 10%, che consentono il passaggio del laser.
Nel laser a rubino, una lampada allo xeno ad alta pressione viene utilizzata come "pompa" per eccitare gli ioni di cromo allo stato eccitato E3. Elettroni pompati verso E3 transizione rapida (in circa 10-8 secondi) a E2 senza radiazioni. E2 è un livello energetico metastabile in cui la probabilità di emissione spontanea a E1 è molto basso, con una durata di vita fino a 10 anni.-3 secondi, consentendo alle particelle di rimanere per un periodo prolungato.
Di conseguenza, le particelle si accumulano a E2, ottenendo un'inversione di popolazione tra i livelli energetici E2 e E1. L'emissione stimolata di luce da E2 a E1 è un laser rosso con una lunghezza d'onda di 694,3 nm. Il laser a impulsi ottenuto dalla lampada allo xeno a impulsi ha una durata inferiore a 1 ms per impulso di luce, con un'energia di ciascun impulso superiore a 10 J e una potenza di ciascun laser a impulsi superiore a 10 kW.
Il processo di eccitazione degli ioni di cromo e di emissione della luce laser coinvolge tre livelli energetici, per cui si parla di sistema a tre livelli. In un sistema a tre livelli, poiché il livello energetico inferiore E1 è lo stato fondamentale e tipicamente accumula un gran numero di atomi, il raggiungimento dell'inversione di popolazione richiede una quantità sostanziale di eccitazione.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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