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1/31 – DESCRIZIONE DI ALCUNI OSCILLAT. ... - C. Calì - DIEET-UNIPA (2007-Rev_10/11) - Pubblicato in www.dieet.unipa.it/cali/didattica

DESCRIZIONE DI ALCUNI OSCILLATORI LASER

Considerazioni sull'efficienza dei laser Si prenda in considerazione il sistema amplificatore più efficiente, ossia quello a quattro livelli. Osservando la posizione dei livelli è evidente che per ottenere un fotone di energia hν21 è necessario spendere un'energia almeno pari ad hν03. Si definisce efficienza quantica atomica il rapporto fra queste due energie, ossia:

03

21

03

21

h

h

νν=

νν=η

Quindi per avere la più elevata efficienza è opportuno scegliere un materiale il cui livello 2 sia il più alto possibile, ossia vicino al livello 3, ed il livello 1 più basso possibile, ossia vicino al livello 0; si deve però stare attenti a non scegliere un materiale il cui livello 1 sia troppo basso perché in questo caso si popolerebbe per agitazione termica e conseguentemente l'efficienza diminuirebbe notevolmente, ritornando in sostanza a comportarsi come un sistema a tre livelli. Non tutta l'energia fornita dall'esterno è utilizzata nel processo di pompaggio, ossia nel trasferimento di energia dal livello 0 al livello 3. Inoltre non tutti gli atomi (o le molecole) che raggiungono il livello 3 passano al livello 2. Il rapporto fra l'energia che raggiunge il livello 2 rispetto all'energia fornita dall'esterno è detto efficienza quantica di pompa. Il prodotto dell'efficienza quantica atomica per l'efficienza quantica di pompa costituisce il limite superiore dell'efficienza di un laser. Questa efficienza varia in un campo piuttosto ampio: dell'ordine dell'1% per i laser a cristalli ionici, del 30% per i laser ad anidride carbonica, prossimo al 100% per i laser a semiconduttore a giunzione. Sistemi di pompaggio E' possibile fornire energia al mezzo attivo di un oscillatore laser in modi diversi, in relazione al materiale utilizzato. I sistemi di pompaggio possono essere classificati in: a) ottico incoerente: utilizza una lampada che emette radiazione luminosa

continuamente o ad impulsi (flash); b) ottico coerente: utilizza un altro laser la cui frequenza di emissione deve,

ovviamente, essere superiore a quella del laser pompato; c) elettronico disordinato: una scarica elettrica (in continua, ad impulsi o a

radiofrequenza) in un gas o una corrente elettrica in un semiconduttore; d) elettronico ordinato: un fascio di elettroni di elevata energia (> 500kV); e) termico: riscaldamento e creando una situazione di non equilibrio termodinamico; f) reazione chimica lenta: combustione; g) reazione chimica rapida: esplosione; h) impiego di particelle pesanti: fascio ionico o prodotti di una reazione nucleare

controllata;


i) impiego di radiazione ionizzante: sorgente a raggi X o reazione nucleare. I sistemi più diffusi sono i primi tre, ossia quelli che utilizzano la radiazione luminosa prodotta da un'altra sorgente o una corrente elettrica in un gas o in un semiconduttore. Classificazione dei laser in base al mezzo attivo In base al tipo di mezzo amplificante utilizzato i laser sono classificati in: - Laser ad ioni dispersi all'interno di un solido, in genere di tipo cristallino. A questa

categoria appartengono i laser a rubino, neodimio, erbio, itterbio e titanio ed il pompaggio avviene mediante una sorgente luminosa incoerente o coerente.

- Laser a gas. Il mezzo attivo è un gas spesso disperso in uno o più gas. Il pompaggio di solito è ottenuto mediante una scarica elettrica. Le caratteristiche comuni a questi laser è che, per l'intrinseca omogeneità del gas, sono in grado di generare fasci pressoché gaussiani e che sono facilmente scalabili, ossia è possibile ottenere una maggiore potenza aumentando la lunghezza del mezzo attivo. Lo svantaggio di questi laser è che sono ingombranti e richiedono elevate tensioni di alimentazione. A questa categoria appartengono i laser ad He-Ne, Ar+, N2 e CO2.

- Laser a vapori metallici. Il metallo, portato ad una temperatura di vaporizzazione, si trova disperso in un gas. Il pompaggio avviene mediante scarica elettrica. A questa categoria appartengono i laser a vapori di rame ed elio-cadmio.

- Laser a colorante. Il mezzo attivo è un materiale organico disperso in un liquido o in un solido. Il pompaggio avviene mediante una sorgente luminosa coerente.

- Laser ad elettroni liberi. Il mezzo attivo è costituito da un fascio di elettroni. Il pompaggio è dovuto al cannone elettronico che imprime una certa velocità agli elettroni.

- Laser chimici. Utilizzano materiali che reagiscono fra loro. L'energia di pompaggio proviene dalla reazione chimica, agevolata, in qualche caso, dalla luce o da una scarica elettrica.

- Laser a semiconduttore a giunzione. Il mezzo attivo è un semiconduttore drogato. Il pompaggio è di tipo elettrico, ossia una corrente che scorre in una giunzione. L'efficienza è molto elevata e la tensione di alimentazione è dell'ordine del volt.

Unità di misura dei livelli di energia e di frequenza L'energia associata ai livelli di energia è spesso indicata in cm-1 anziché in eV o Joule. Un cm-1 è l'energia associata ad un fotone la cui lunghezza d'onda di emissione è 1 cm. Pertanto 1cm-1 equivale a hν = hc/λ = 6,626·10-34·3·108/10-2 Joule, ossia 1 cm-1 = 1,988·10-23 Joule = 1,242·10-4 eV. Con 1 cm-1 è indicata pure la frequenza corrispondente alla lunghezza d'onda di 1 cm, ossia 3·1010 Hz.


Laser al rubino Il rubino, cristallo di zaffiro (Al2O3) nel quale alcuni atomi di alluminio sono sostituiti da ioni cromo (Cr3+, 0,05% in peso), è il primo materiale nel quale è stata dimostrata l'azione laser (Maiman, 1960). Il mezzo attivo è costituito dagli ioni cromo dispersi nello zaffiro. Per inciso, lo zaffiro è bianco trasparente ma per effetto del cromo assume una colorazione rosa. Non è possibile utilizzare rubino naturale per la presenza di impurità ed irregolarità nella struttura cristallina; è necessario accrescerlo in laboratorio, controllando la percentuale di cromo. La distribuzione dei livelli è riportata in figura 1. Una o più lampade flash (tempo di emissione ≈ 5·10-4s), tipicamente disposte come riportato in figura 2, forniscono energia alle due bande indicate con 4F1 e 4F2 che costituiscono il livello 3. Successivamente si ha un trasferimento al livello 2 costituito da uno dei due livelli indicati con 2A ed E; infine si ha passaggio al livello più basso con emissione di radiazione a due possibili lunghezze d'onda: 0,6943 e 0,6928 µm. Il tempo di vita media (1/A32) fra i livelli 3 e 2 è 5·10-8s e quello (1/A21) fra i livelli laser superiore ed inferiore è 3·10-3s. E' quindi rispettata la condizione necessaria affinché si possa avere inversione di popolazione. Questo è uno dei pochi laser a tre livelli. Le altezze delle due bande di assorbimento corrispondono orientativamente alle lunghezze d'onda di 0,55µm (verde) e 0,42 µm (violetto).

Fig. 1 Fig. 2 Le lampade flash, disposte all'interno di una cavità speculare doppiamente ellittica come mostrato in figura 2, garantiscono la massima uniformità di illuminazione della barretta di rubino. Per evitare perdite per riflessione, le estremità della barretta devono essere ricoperte di uno strato di adattamento o, in alternativa, gli specchi devono essere realizzati direttamente su queste estremità. Nei primi laser a rubino il pompaggio avveniva mediante una lampada flash "avvolta" sulla barretta. Questa soluzione è più costosa e meno efficiente. Non ha senso un pompaggio in continua perché questo laser può funzionare soltanto ad impulsi per la sua bassa efficienza:


essendo un sistema a tre livelli, è necessario fornire un'elevata energia per ottenere l'inversione di popolazione e questa energia provoca un innalzamento della temperatura del cristallo con conseguente ulteriore diminuzione dell'efficienza.

Fig.3 Fig.4 I diagrammi di figura 3 e 4 riportano il coefficiente di assorbimento di una barretta rubino in funzione della lunghezza d'onda per due diverse polarizzazioni dell'onda incidente rispetto all'asse ottico del cristallo. La figura 3, ottenuta per una concentrazione di Cr3+ di 1,88·1019atomi/cm3, evidenzia le due bande di assorbimento, mentre la figura 4, ottenuta per una concentrazione di Cr3+ di 1,58·1019atomi/cm3, evidenzia meglio le due bande di emissione laser. Nella due figure è pure indicata la "sezione d'urto", correlata al coefficiente di assorbimento. Laser a neodimio Il mezzo attivo è costituito da ioni trivalenti di nediomio (Nd3+) dispersi in un cristallo di Y3Al5O12, comunemente indicato con YAG (Yttrium Aluminum Garnet, ossia granato di ittrio ed alluminio). L'emissione avviene alla lunghezza d'onda di 1,0641µm. I livelli di interesse per il funzionamento sono riportati in figura 5 e, come si può osservare, è un sistema a quattro livelli.

Fig. 5


La larghezza della curva di guadagno è di circa 180 GHz, il tempo di vita media del livello laser superiore (ts=1/A21) è 5,5·10-4 s, il guadagno è circa 75 volte superiore a quello del laser a rubino. Questo laser può funzionare in continua. Il pompaggio avviene per via ottica mediante lampade flash, se il funzionamento è ad impulsi, o lampade ad emissione continua se il funzionamento è in continua con una disposizione simile a quella vista per il laser al rubino. Il Nd3+ assorbe la luce emessa dalle lampade nel campo compreso fra 0,4 e 0,8 µm. Recentemente si è trovato vantaggioso pompare il neodimio con la luce emessa da un insieme di laser a semiconduttore. Una variante del Nd3+:YAG è il Nd3+:vetro. In questo caso il neodimio si trova disperso nel vetro, i livelli interessati sono sempre gli stessi ma, a causa della struttura più disordinata del vetro, la lunghezza d'onda di emissione è 1,059 µm; per lo stesso motivo la larghezza di banda della curva di guadagno è circa 50 volte maggiore. Il vetro ha una minore capacità di dissipazione del calore e pertanto il laser a Nd3+:vetro non può funzionare in continua. I laser a Nd3+, a causa dell'elevata larghezza di banda, sono adatti a funzionare in agganciamento di fase. Per la potenza di picco elevata raggiungibile abbastanza facilmente sia in agganciamento di fase che in Q-switching, questi laser si prestano alla generazione di seconda (532nm), terza (355nm) e quarta armonica (266nm) utilizzando cristalli nonlineari. Laser ad erbio Il mezzo attivo è l'erbio (Er) disperso nello YAG o nel vetro. La lunghezza d'onda ottimale di pompaggio è 980nm, facilmente ottenibile con un laser a semiconduttore. Sono possibili due transizioni con emissione stimolata di radiazione, una a 1,55 µm, l'altra a 2,9 µm. Con la prima si ha comportamento da sistema a tre livelli, con la seconda da sistema a quattro livelli. Il diagramma dei livelli è riportato in figura 6.

Fig.6


La possibilità di ottenere amplificazione ed oscillazioni alla lunghezza d'onda di 1,55µm è di grande interesse perché coincide con una finestra di minima attenuazione delle fibre ottiche. Si costruiscono fibre ottiche nel cui nucleo ("core") si trova dell'erbio; pompando con la radiazione (980nm) emessa da un laser a diodo semiconduttore, si ha amplificazione dei segnali (λ=1,55µm) che viaggiano all'interno della fibra. Laser ad itterbio L'itterbio (Yb) può sostituire il neodimio nel laser ad ioni neodimio. Potendo essere presente in percentuali anche del 25% anziché del 1-2%, il guadagno per unità di lunghezza è superiore.

Fig. 7 Fig. 8 Il diagramma dei livelli energetici interessati è riportato in figura 7 dove si può osservare la presenza di quattro livelli. La lunghezza di pompaggio dell'ordine di 940nm, facilmente ottenibile con diodi laser a semiconduttore. La lunghezza d'onda di emissione è compresa fra 1,03 e 1,12 µm. A causa dell'elevato guadagno l'estensione del mezzo attivo può essere ridotta ed è possibile realizzare per l'oscillatore strutture a disco come quella riportata in figura 8. Il materiale amplificante è un sottile disco a contatto di una superficie che, oltre ad avere un comportamento da specchio per la cavità risonante, è in grado di dissipare agevolmente il calore prodotto nel processo di pompaggio e limitare l'effetto dei gradienti termici. Il pompaggio è ottenuto inviando trasversalmente un fascio luminoso generato da uno o più diodi laser, in una configurazione tale che si abbiano parecchi attraversamenti (in figura ne sono rappresentati due soltanto) e quindi massimizzare l'assorbimento della radiazione pompa da parte del mezzo amplificante. Laser al Ti:zaffiro E' un laser caratterizzato da un ampio campo di emissione dovuto all'accoppiamento delle transizioni elettroniche agli stati vibrazionali della stesso ione Ti3+ che


sostituisce alcuni ioni di Al3+ nel reticolo cristallino dello zaffiro. Il titanio presenta un campo di assorbimento fra 400 e 650 nm. La banda di fluorescenza è compresa fra 600 nm ed 1 µm ma non si possono ottenere oscillazioni al di sotto dei 650 nm a causa del riassorbimento. Le bande di assorbimento e di emissione sono riportate in figura 9.

Fig. 9

Affinché l'efficienza sia elevata è necessario mantenere il cristallo a temperatura ambiente o più bassa. Il pompaggio di solito avviene longitudinalmente mediante un laser ad argon il cui fascio all'interno del cristallo è collineare a quello oscillante, come riportato in figura 10. Nella figura la cavità oscillante è costituita dagli specchi M7 (di uscita), M5, M6 ed M8. Gli specchi M5 ed M6 sono di tipo dicroico, ossia si lasciano attraversare dalla radiazione di pompa.

Fig. 10

Il "filtro birifrangente" posizionato all'angolo di Brewster consente di selezionare una lunghezza d'onda di oscillazione. Il meccanismo è il seguente. Una lamina birifrangente con l'asse ottico sul piano della lamina trasforma la polarizzazione


lineare in ellittica in misura diversa con la lunghezza d'onda. Ruotando la lamina attorno l'asse ortogonale al suo piano si può fare in modo che una ed una sola lunghezza d'onda, dopo avere attraversato due volte la lamina presenta una polarizzazione invariata, lineare e tale da soddisfare la condizione di Brewster sulle facce del cristallo. Tutte le altre lunghezze d'onda hanno una polarizzazione ellittica, subiscono una perdita sulla superficie del cristallo e quindi non sono in grado di mantenere le oscillazioni. Questo tipo di laser, utilizzando come pompa un laser ad argon da 20W, è in grado di generare in continua una potenza di circa 2,5W in un campo compreso fra 700 e 980 nm. Il massimo della potenza si ha intorno a 790nm. Laser ad elio-neon (He-Ne) E' il secondo laser ad essere stato realizzato dopo quello al rubino ed il primo laser funzionante in continua. Il mezzo attivo è il neon che si trova miscelato all'elio. Tipicamente la pressione parziale dell'elio è 1,0 mmHg e del neon è 0,1 mmHg. Gli elettroni della scarica elettrica in continua o a radiofrequenza, che è innescata all'interno del tubo contenente la miscela gassosa, forniscono energia ai vari livelli dell'elio che tendono a popolare due stati metastabili (t s ≈ 5·10-6 e 10-4 s) a circa 20,6 e 19,7 eV dal livello più basso. Questi due livelli trasferiscono energia a due gruppi di livelli del neon (3s e 2s) che costituiscono due possibili livelli laser superiore, come è possibile vedere in figura 11. Le transizioni avvengono fra uno di questi gruppi di livelli ed uno dei livelli 3p e 2p del neon. E' un sistema a quattro livelli. Le possibili lunghezze d'onda di amplificazione ed oscillazione sono nell'intorno di 3391nm, 633 nm e 1152nm, avendo indicato per ogni gruppo quella a più alto guadagno.

Fig. 11


Di particolare interesse sono le transizioni con emissione nel campo del visibile (transizione 3s-2p), espanse sulla destra della figura 11. Per quanto riguarda queste transizioni il tempo di vita media del livello laser superiore (3s) è di 10-7 s e quello di vita media del livello laser inferiore (2p) è di 10-8 s. Successivamente si ha decadimento ed accumulo verso il livello 1S, di vita media grande (metastabile). La presenza del Ne al livello 1S ostacola lo svuotamento del livello laser inferiore (2p) perché per effetto degli elettroni della scarica elettrica di pompaggio si ha un ritorno verso il livello laser inferiore con conseguente peggioramento dell'efficienza complessiva. Si è trovato che lo svuotamento del livello 1S è fortemente agevolato dagli urti sulle pareti per cui si cerca di fare in modo che il fascio che deve essere amplificato e la scarica nel gas siano lambite dalle pareti di un sottile tubo, come ad esempio è visibile in figura 12 dove è riportato lo schema costruttivo di un tipico laser ad He-Ne. Si è trovato sperimentalmente che l'efficienza aumenta al diminuire del diametro del tubo. Purtroppo non si può andare al di sotto di un certo valore per non diaframmare il fascio. La presenza del tubo evita, comportandosi da diaframma, che si inneschino modi trasversali di ordine superiore.

Fig. 12 Fig. 13 Anche l'amplificazione a 1152 nm dipende dalle dimensioni della parete del tubo perché sono ancora interessati i livelli 2p. L'amplificazione a 3391 nm è quella a più alto guadagno per cui il risuonatore tende ad oscillare a questa lunghezza d'onda. Se non si vuole che questo avvenga si deve fare in modo che gli specchi presentino una bassa riflettività a questa lunghezza d'onda. Se gli specchi sono esterni all'amplificatore, come in figura 12, le due finestre all'angolo di Brewster bloccano la radiazione perché il vetro con cui sono costruite assorbe questo campo di lunghezze d'onda. Qualora gli specchi siano interni, ossia sostituiscano le due finestre, è sufficiente inserire all'interno della cavità una lamina di vetro all'angolo di Brewster. La presenza delle finestre o della lamina all'interno della cavità fa si che l'onda che si genera è polarizzata. La selezione fra lunghezze d'onda contigue può essere fatta inserendo un prisma disperdente posto all'angolo di Brewster in prossimità dello specchio non di uscita del risuonatore, come indicato in figura 13. Nella figura 12 si può osservare la disposizione degli elettrodi e la dimensione del catodo che, dovendo ricevere gli ioni He la cui massa è superiore di quella degli


elettroni che invece si dirigono verso l'anodo, deve essere abbastanza esteso per dissipare meglio l'energia. La bassa pressione della miscela gassosa consente di mantenere la scarica con tensioni non eccessivamente elevate. Per una distanza fra gli elettrodi di un paio di decine di centimetri la tensione di mantenimento della scarica è di 1-2 kV con una corrente di qualche mA. E' necessaria però una tensione di innesco di 7-8 kV. Poiché le scariche nei gas sono caratterizzate da una resistenza negativa è necessario limitare la corrente dell'alimentatore con una resistenza in serie esterna, detta resistenza di "ballast". I laser ad He-Ne sono in grado di dare una potenza di uscita in continua compresa fra 0,5 e 50 mW, dipendentemente dalla lunghezza del tubo. Laser ad ioni argon (Ar+) Questo laser utilizza argon ionizzato, ossia privo di un elettrone dell'orbitale più esterno. La ionizzazione è ottenuta mediante una scarica elettrica, anche continua, di elevata corrente (decine di A) all'interno di un tubo contenente il gas a bassa pressione (<1torr). Nell'Ar+ sono presenti nove livelli, attorno a 36eV, relativi al livello laser superiore e due livelli, attorno a 33eV, relativi al livello laser inferiore, come è possibile vedere in figura 14.

Fig. 14

Le diverse transizioni hanno in comune o il livello laser superiore o quello inferiore. Sono possibili complessivamente dieci transizioni nella regione compresa tra il violetto ed il verde. Tendono però ad oscillare le lunghezza d'onda a guadagno maggiore (effetto "competizione") a meno che non si adottino tecniche di selezione come ad esempio l'utilizzo di un prisma disperdente (figura 13). Le lughezze d'onda a maggiore guadagno sono quelle a 514,5 e a 488,0 nm. Gli ioni raggiungono il livello


laser superiore attraverso differenti percorsi: per decadimento da livelli più alti, per impatto elettronico dal livello più basso di ionizzazione (a circa 15,76 eV dal livello neutro più basso), per impatto elettronico dal livello più basso neutro al livello più basso di ionizzazione e successivamente da questo livello al livello laser superiore. Il rapidissimo passaggio dal livello laser inferiore al livello più basso di ionizzazione avviene con emissione di radiazione nell'estremo ultravioletto (74nm). Questa radiazione è responsabile del danneggiamento delle finestre, che devono essere di quarzo. Mediante una corrente ancora più elevata è possibile ottenere una doppia ionizzazione dell'argon (Ar2+) ed avere un livello laser superiore a 71 eV al di sopra del livello più basso neutro. In questo modo si ottiene emissione nell'ultravioletto ma con efficienza ancora più bassa. Mediamente la vita media dei livelli laser superiore è di 10-8s e quella dei livelli laser inferiore di 10-9 s. Sperimentalmente si osserva che per una singola lunghezza d'onda la larghezza di banda, per effetto Doppler, è di 3.500MHz. Dall'espressione della larghezza di banda per effetto Doppler:

2lnMc

KT2ν2∆ν

20D =

e noto il peso atomico dell'argon (40) si ricava che T≈2.700°K. Quindi gli ioni sono molto caldi e questo giustifica la necessità di dovere utilizzare per le pareti del tubo materiali resistenti alle alte temperature come grafite, tungsteno o ossido di berillio. Inoltre nelle zone dove avviene la scarica si applica un campo magnetico assiale statico; in questo modo, a causa della forza di Lorentz, gli ioni tendono ad essere localizzati lungo l'asse del tubo, evitando gli urti sulle pareti ed aumentando la densità del mezzo attivo dove transita il fascio luminoso. A differenza dei laser ad He-Ne la potenza di uscita aumenta con la corrente della scarica; la saturazione si ha con valori di corrente difficilmente raggiungibili. L'efficienza non è molto elevata: per poter ottenere una potenza ottica di 4W complessivi (somma delle potenza nelle varie lunghezze d'onda) è necessario fornire un'alimentazione elettrica trifase di 35A a 110V per fase, ossia circa 11,5 kW. In figura 15 è riportato il disegno di un laser commerciale (Spectra Physics, mod.164). Nella figura si possono osservare il solenoide (raffreddato ad acqua così come il tubo) che genera il campo magnetico assiale, il catodo (di notevole dimensione rispetto all'anodo) portato ad alta temperatura da una resistenza, la riserva di argon che periodicamente (centinaia di ore) è immesso all'interno del tubo tramite un'elettrovalvola, un diaframma ("adjustable intra-cavity aperture") che consente o meno la presenza di modi trasversali di ordine superiore, lo specchio sferico di uscita, il divisore di fascio che invia una frazione del fascio in uscita su un fotodiodo di controllo della corrente della scarica, lo specchio piano ad alta riflettività accoppiato


al prisma che consente di selezionare le varie lunghezze d'onda. Si può pure osservare la presenza di un piccolo tubo che, collegando i due estremi del tubo, consente di equalizzare la pressione. Il gradiente di pressione è dovuto al notevole flusso di ioni.

Fig. 15

Lo stesso tubo del laser ad argon può essere riempito con kripton o con una miscela dei due. Il meccanismo di funzionamento è lo stesso con l'unica differenza che le lunghezze d'onda di emissione sono differenti. Le lunghezze d'onda a guadagno più elevato sono a 530,9 e 647,1 nm. Laser a vapori metallici (elio-cadmio e rame) In questi laser è necessario riscaldare il metallo sino a portarlo alla temperatura di evaporazione. Conseguentemente i vapori sono miscelati al gas nel quale si innesca la scarica elettrica che fornisce energia al metallo. Inizialmente il metallo, in fase solida, è localizzato nell'estremità del tubo dove è posizionato l'anodo. Il metallo, adeguatamente riscaldato, vaporizza e per effetto della scarica elettrica è ionizzato (+). Gli ioni, essendo attratti dal catodo, tendono a fluire lungo il tubo e realizzano così il mezzo amplificante. Nella regione del catodo la temperatura è più bassa e i vapori metallici condensano. Quando tutto il metallo è migrato dall'anodo al catodo il processo di amplificazione (che può durare alcune centinaia di ore) cessa ed è necessario riportare il metallo in prossimità dell'anodo. Una tecnica spesso adottata è quella di costruire un tubo simmetrico, ossia con un riscaldatore, un anodo ed un catodo per estremità. Alternativamente si collegano all'alimentatore un catodo e l'anodo che si trova sull'opposta estremità e si porta ad alta temperatura il riscaldatore adiacente all'anodo alimentato. In questo modo, quando tutto il metallo ha raggiunto il catodo, si scambiano gli elettrodi ed il vapore fluirà in senso opposto. Nel laser ad elio-cadmio (He-Cd) una scarica elettrica porta gli atomi di elio in un livello metastabile che trasferisce energia agli atomi di cadmio, ionizzandoli e portandoli ad un certo livello (figura 16). Successivamente si verifica il decadimento radiativo verso un livello più basso e poi ancora il passaggio non radiativo verso il livello più basso di ionizzazione. Il processo di neutralizzazione del cadmio è favorito


dagli urti sulle pareti del tubo. Questo laser emette in continua alla lunghezza d'onda di 442 nm (blu) e 325 nm (ultravioletto). Potenze di uscita tipiche alle due differenti lunghezze d'onda sono 5-15mW e 1,5mW. Questo laser può essere raffreddato ad aria e richiede una relativamente bassa potenza di alimentazione elettrica, quindi può sostituire il laser ad argon nelle applicazioni in cui non è richiesta un'elevata potenza.

Fig. 16

Nel laser a vapori di rame (Copper Vapour Laser - CVL) gli atomi neutri di rame sono portati direttamente nel livello laser superiore dall'impatto con gli elettroni di una scarica elettrica (figura 17). Il livello laser inferiore è un livello metastabile per cui questo laser non può funzionare in continua. La durata degli impulsi, condizionata dal riempimento del livello laser inferiore, è di circa 50ns. La frequenza di ripetizione può raggiungere i 5 kHz. L'emissione avviene a 510,5 nm (verde) e a 578,2 nm (giallo). La potenza media può raggiungere qualche decina di watt.

Fig. 17

La temperatura di vaporizzazione del rame è di 1400-1500°C. A causa di questa elevata temperatura è necessario utilizzare un tubo di allumina (Al2O3). La pressione parziale del vapore di rame è di circa 0,1 torr. Per facilitare la scarica elettrica di pompaggio si aggiunge all'interno del tubo del gas neon.


Per le lunghezze d'onda emesse e per la natura impulsata, questo tipo di laser trova applicazione nel pompaggio dei laser a colorante (elevato assorbimento da parte del colorante), nelle ricerche sottomarine (basso assorbimento dell'acqua marina), nell'olografia (impulsi stretti e di elevata energia) ed in campo medico (elevato assorbimento da parte dei tessuti umani). Laser a coloranti (Dye Laser) Il mezzo attivo di questi laser è costituito da un composto organico, di grande sezione d'urto, che si trova disperso in un liquido o in un solido. Questi composti organici, di tipica colorazione, assorbono la radiazione in alcune regioni del visibile e presentano una forte luminescenza, quindi possibilità di amplificare ed oscillare, in una banda piuttosto larga compresa fra il visibile ed il vicino infrarosso. Nella figura 18 sono riportate le potenze ottenibili al variare della lunghezza d'onda per differenti coloranti utilizzando come pompa un laser ad argon; per ogni colorante è indicata la condizione di funzionamento del laser ad argon di pompa.

Fig. 18 Lo schema dei livelli energetici di un tipico colorante è riportato in figura 19. La presenza di bande è dovuto al fatto che benché si utilizzino transizioni di tipo elettronico, come da S0 ad S1, alle molecole sono associati modi vibrazionali e modi rotazionali, questi ultimi distanti uno dall'altro ancora meno dei modi vibazionali. Questo giustifica l'ampio, e pressoché continuo, campo di emissione. I livelli sono divisi in due gruppi corrispondenti a due diversi stati: di singoletto (S) e di tripletto (T). Gli stati di singoletto sono quelli in cui lo spin magnetico dell'elettrone eccitato è


antiparallelo allo spin della restante molecola mentre gli stati di tripletto sono quelli in cui lo spin magnetico dell'elettrone eccitato è parallelo allo spin della restante molecola. Le transizioni da singoletto a tripletto sono poco probabili perché coinvolgono una inversione di spin mentre quelle dello stesso tipo sono molto più probabili e danno luogo ad un intenso assorbimento e fluorescenza.

Fig. 19

I livelli ad energia minore sono quelli di singoletto (S0). Il colore caratteristico è dovuto all'assorbimento della radiazione visibile e conseguente passaggio da S0 ad S1. Nel pompaggio (spesso è utilizzato un laser ad argon) la molecola è eccitata raggiungendo uno dei livelli più alti di S1 (livello 3). Successivamente decade rapidamente (≈10-12s) verso uno dei livelli più bassi di S1 (livello 2 – laser superiore). Da questo livello passa, emettendo radiazione, ad uno dei livelli più alti di S0 (livello 1 – laser inferiore) ed infine passa rapidamente (≈5·10-9s) al livello più basso di S0 (livello 0). Il guadagno dei coloranti è piuttosto alto a causa della grande sezione d'urto delle molecole, anche quando disperse in un altro mezzo. Il passaggio da S1 a T1 è poco probabile ma può verificarsi, per cui dopo un po' di tempo si ha una certa popolazione nel livello T1, inizialmente spopolato, perché questo è un livello metastabile (t≈10-4s, grande se confrontato con il tempo di transizione da S1 a T1 che è di circa 10-8s). Il livello T1 si comporta da trappola per i fotoni emessi nel passaggio da uno dei livelli più bassi di S1 (livello 2 – laser superiore) ad uno dei livelli più alti di S0 (livello 1 – laser inferiore) poiché l'energia rilasciata in questo passaggio coincide con il salto da uno dei livelli di T1 a uno dei livelli di T 2. Quindi la radiazione generata per emissione stimolata è assorbita, se il livello T1 è abbastanza popolato, nuovamente dal materiale. Questo fenomeno riduce l'amplificazione al punto tale che le eventuali oscillazioni sono bloccate dopo brevissimo tempo. Sperimentalmente si osserva che, se si pompa un laser a colorante con la luce proveniente da una lampada flash la cui durata è di un centinaio di microsecondi, l'emissione laser avviene per una frazione di microsecondo. Quindi un laser a colorante non può funzionare in continua, a meno che non si fa in modo che il


mezzo attivo venga sostituito continuamente e rapidamente. Per ottenere la massima velocità di ricambio, se il colorante è disperso in un liquido o miscela di liquidi organici (glicole etilenico, alcool metilico, alcool etilico, acetone, ...) si fa in modo che questo liquido circoli trasversalmente rispetto all'asse del fascio; se è disperso in un solido, si realizza un disco che, posto in rapida rotazione, è attraversato dal fascio, nel tempo, in zone differenti.

Fig. 20 Fig. 21 In figura 20 è schematizzato un tipico laser a colorante con flusso laminare. La cavità laser è costituta da tre specchi. Con questa disposizione il fascio di uscita si trova parallelo al fascio in ingresso di pompa. Il colorante in soluzione è inviato ortogonalmente al piano del disegno mediante un ugello a sezione rettangolare larga in modo tale da ottenere una lamina che si trova all'angolo di Brewster rispetto all'asse del risuonatore. In questo modo si ha un ricambio molto rapido del colorante ed il fascio, il cui campo elettrico si trova sul piano del foglio, non subisce perdite per riflessione. Il fascio del laser di pompa deve illuminare la zona del getto attraversata dal fascio oscillante. La selezione della lunghezza d'onda, nell'ipotesi che gli specchi siano a larga banda, è ottenuta in via più grossolana da un "filtro a cuneo" e in modo più fine da un risuonatore Fabry-Perot accordabile in angolo (Etalon) o da una serie di filtri birifrangenti del tipo di quelli già descritti a proposito del laser Ti:zaffiro. Il filtro a cuneo, schematizzato in figura 21, è un risuonatore Fabry-Perot i cui specchi multielettrici sono separati da un dielettrico il cui spessore varia gradualmente da un estremo all'altro; a secondo della zona attraversata dal fascio la distanza fra gli specchi è differente e quindi passa una certa lunghezza d'onda. A causa del gradiente di spessore gli specchi non possono essere perfettamente paralleli, la finesse non può essere molto elevata e conseguentemente anche la selettività. I vantaggi dei laser a colorante sono: possibilità di scelta di una lunghezza d'onda di emissione in un campo molto ampio, buona uniformità del fascio generato, alta efficienza, basso costo del mezzo attivo, facilità di raffreddamento.


Laser ad eccimeri I gas rari (elio, neon, argon, ...) sono detti inerti perché non legano con altri elementi e nemmeno con se stessi; sono infatti gas monoatomici. La spiegazione è che questi gas sono caratterizzati da orbitali completamente occupati che quindi non possono essere condivisi con altri atomi e formare molecole. Tuttavia se un gas raro è eccitato in uno stato metastabile un suo elettrone passa in un orbitale successivo più esterno e quindi si comporta come l'elemento successivo (appartenente al gruppo IA) della tavola periodica degli elementi, riportata in forma semplificata e nelle parti di interesse in figura 22.

Fig. 22

Ad esempio il neon eccitato (Ne*) ha il comportamento reattivo del sodio (Na), l'argon (Ar*) quello del potassio (K), il kripton (Kr*) quello del rubidio (Rb), lo xenon (Xe*) quello del cesio (Cs). E' noto che gli elementi del gruppo IA (alcali) legano vigorosamente con gli elementi del gruppo VIIA (alogeni); così ad esempio si ha la reazione: 2(K+F2) → 2KF + F2 ossia la formazione del sale fluoruro di potassio e poiché l'Ar* si comporta come il potassio: 2(Ar*+F2) → 2(ArF)* + F2 si ha la formazione del "sale" fluoruro di argon che esiste sino a quando l'argon si trova nello stato eccitato. Il legame fra argon e fluoro, che comporta una notevole vicinanza fra i due, dura per un tempo molto limitato, dell'ordine dai 10 ai 20 ns, perché poi l'argon si diseccita ed i due atomi si allontanano molto velocemente in un intervallo di tempo dell'ordine dei 10-13 s rilasciando una certa energia sotto forma di emissione luminosa: 2(ArF)* → 2Ar + F2 + hν Nel caso di argon e fluoro l'energia rilasciata corrisponde ad una lunghezza d'onda di 193nm. E' possibile ottenere varie combinazioni di gas inerti ed alcali. Le lunghezze d'onda generate sono sempre nel campo dell'ultravioletto, come è possibile osservare nella tabella riportata in figura 23 dove sono indicate le lunghezze d'onda ottenibili espresse in nm.


Il trasferimento di energia (pompaggio) al gas inerte avviene mediante scarica elettrica ed il funzionamento è impulsato. Si possono ottenere impulsi della durata dei 10ns con un'energia compresa fra 0,1 e 1 J e una frequenza di ripetizione di alcune decine di Hz. Conseguentemente la potenza di picco può essere molto elevata (MW).

Ar Kr Xe

F2 193 249 351 Cl2 175 222 308 Br2 282 I2 253

Fig. 23 I gas alogeni sono fortemente corrosivi e tossici per cui è necessaria una particolare attenzione nella costruzione e nell'uso di questi laser. Il guadagno di questi laser è molto elevato tanto da potere oscillare utilizzando uno specchio di uscita la cui riflettività è compresa fra il 4 e l'8 %. L'applicazione tipica di questi laser è l'ablazione dei materiali; questo processo richiede impulsi di breve durata per evitare che il materiale adiacente si riscaldi. Il laser ad eccimeri è utilizzato in oculistica per l'ablazione di sottili strati cornea. Altra applicazione è nel campo fotolitografico: spesso questo laser è utilizzato industrialmente per l'esposizione, attraverso una maschera, del fotoresist. Laser ad anidride carbonica Questo laser appartiene al gruppo dei laser molecolari, ossia quelli in cui sono coinvolti stati vibrazionali delle molecole; gli elettroni rimangono nei livelli energetici più bassi. Si consideri inizialmente la molecola biatomica dell'azoto (N2). L'unico modo vibrazionale possibile è il periodico avvicinamento ed allontanamento reciproco fra i due atomi. La frequenza dipende dalla massa atomica e dalla forza di richiamo. In base alla meccanica quantistica i livelli di eccitazione vibrazionale della molecola sono discreti e la corrispondente energia è data da: hν0 (v+1/2) con v=0, 1, 2, ... Pertanto il diagramma energetico è costituito da una serie di livelli egualmente spaziati di hν0. La molecola di anidride carbonica (CO2) può vibrare in tre modi differenti: stiramento simmetrico, quando i due atomi di ossigeno contemporaneamente si avvicinano o sia allontanano dall'atomo di carbonio posto al centro; flessione, quando i due atomi di ossigeno si spostano contemporaneamente e nello stesso verso in una direzione normale alla congiungente i due e passante per l'atomo di carbonio che è posto al centro;


stiramento asimmetrico, quando alternativamente uno dei due atomi di ossigeno si avvicina e l'altro si allontana dall'atomo di carbonio posto al centro. In prima approssimazione è possibile assumere che questi tre modi siano indipendenti tra loro e quindi lo stato della molecola di anidride carbonica può essere descritto da tre numeri interi (v1, v2, v3) a cui corrispondono i livelli di eccitazione dei tre possibili modi descritti. In base a questa considerazione l'energia della molecola è: E(v1, v2, v3) = hν1 (v1 + 1/2) + hν2 (v2 + 1/2) + hν3 (v3 + 1/2) I livelli vibrazionali dell'anidride carbonica, oltre che quello dell'azoto, sono rappresentati in figura 24. Da questa si può osservare che la flessione impegna la minore quantità di energia; seguono poi lo stiramento simmetrico e lo stiramento asimmetrico. Il singolo livello è individuato da tre numeri interi; il primo è relativo allo stiramento simmetrico, il secondo alla flessione ed il terzo allo stiramento asimmetrico. Nella stessa figura 24 sono indicate le transizioni laser alle lunghezze d'onda di 9,6 e 10,6 µm (medio infrarosso).

Fig. 24

Il pompaggio di solito avviene mediante una scarica elettrica che, oltre a fornire direttamente energia al livello 001, popola il livello 1 dell'azoto presente nella miscela gassosa. Il livello 1 dell'azoto è metastabile e si svuota essenzialmente cedendo energia al livello 001 dell'anidride carbonica. Il trasferimento di energia è indicato nel seguente modo: N2* + CO2

000 → N2 + CO2001

La piccola differenza di altezza fra il livello 1 dell'azoto ed il livello 001 dell'anidride carbonica è superata dall'energia cinetica del gas. Alla miscela gassosa si aggiunge l'elio che ha una triplice funzione: stabilizza la scarica elettrica, facilita il raffreddamento della miscela gassosa e favorisce lo svuotamento del livello metastabile 010.


Le molecole di anidride carbonica oltre a vibrare sono in grado di ruotare e quindi sono presenti livelli rotazionali molto vicini fra loro. La conseguenza è che le transizioni laser avvengono fra uno di questi livelli e quindi le lunghezze d'onda di emissione non sono due soltanto ma circa 40 attorno a 9,6 µm ed altre 40 attorno a 10,6 µm. Si dice che sono presenti due famiglie di lunghezze d'onda di emissione, una relativa alla transizione 001 → 020 e l'altra relativa alla transizione 001 → 100. Ogni famiglia è divisa poi in due branche di circa 20 lunghezze d'onda. La distanza relativa fra due linee contigue è 10-3. Difficilmente un laser ad anidride carbonica oscilla su tutte le lunghezze d'onda; se non si utilizzano accorgimenti particolari (specchio con reticolo all'angolo di Littrow, Fabry-Perot all'interno della cavità) oscillano le lunghezze d'onda a guadagno più elevato, ossia quelle intorno a 10,6 µm. L'elevata efficienza (30%) che può raggiungere questo laser dipende da tre fattori: a) l'efficienza quantica atomica, ossia hν21/hν30 è di circa il 45%; b) le molecole di anidride carbonica eccitate ai livelli superiori tendono a decadere accumulandosi nel livello 001; c) una grande quantità di molecole di azoto che sono eccitate dalla scarica tendono ad accumularsi al livello 1; successivamente si ha un trasferimento di energia alle molecole di anidride carbonica, che inizialmente si trovano nel livello più basso, portandole nel livello 001. Il vetro, il quarzo ed altri materiali normalmente utilizzati nella costruzione dei componenti ottici nel visibile e nel vicino infrarosso sono del tutto opachi alla radiazione generata dai laser a CO2. Si devono pertanto utilizzare altri materiali, in genere cristallini e più costosi. Materiali adatti sono il germanio (Ge) e l'arseniuro di gallio (GaAs) che però non sono trasparenti alla radiazione visibile. Questo è un inconveniente quando si vuole sovrapporre al fascio infrarosso, di elevata potenza, un fascio visibile di bassa potenza "di puntamento". Materiali trasparenti nel visibile, o in una porzione del visibile, sono il solfuro di cadmio (CdS), il seleniuro di zinco (ZnSe), il fluoruro di bario (BaF2), il cloruro di sodio (NaCl) ed il cloruro di potassio (KCl). Questi ultimi due sono igroscopici e quindi devono essere mantenuti in ambienti secchi. In compenso questi, insieme al fluoruro di bario, sono caratterizzati da un indice di rifrazione basso (intorno ad 1,5) e quindi possono essere utilizzati anche privi di strati di adattamento. Inoltre questi ultimi materiali presentano un'alta soglia di danneggiamento che li rende adatti a funzionare con fasci di elevata densità di energia. I laser ad anidride carbonica non soltanto sono efficienti ma sono anche in grado di generare notevoli potenze; per questo motivo sono state sviluppate differenti versioni, più sotto descritte brevemente. LASER A CO2 A FLUSSO LONGITUDINALE E' questa la versione classica costituita da un tubo di vetro pirex nel quale circola continuamente la miscela costituita da CO2, N2 ed He. I tre gas possono essere


contenuti in tre bombole differenti e miscelati prima dell'ingresso nel tubo oppure possono trovarsi già miscelati in una unica bombola. La prima soluzione consente di ottimizzare la miscelazione e quindi il funzionamento agendo sui regolatori di flusso che si trovano fra le bombole ed il miscelatore. La miscela è immessa in prossimità di una estremità del tubo e portata fuori da una pompa da vuoto collegata all'altra estremità del tubo. In questo modo, ossia immettendo continuamente nuova miscela, i prodotti di dissociazione (CO) vengono rimossi e si ha un certo raffreddamento del tubo. Per migliorare il raffreddamento spesso è presente un tubo più esterno coassiale e fra i due si fa circolare un liquido refrigerante. Il pompaggio avviene mediante una scarica elettrica fra due elettrodi sistemati nelle estemità del tubo. La scarica può essere in continua, a radiofrequenza o impulsata. Si utilizza la scarica impulsata nel funzionamento ad impulsi giganti per consentire un migliore raffreddamento del tubo fra un impulso e l'altro; ovviamente l'impulso deve iniziare prima dell'allineamento della cavità (Q alto) e deve terminare appena inizia l'impulso. Nel funzionamento con scarica impulsata si fa in modo da avere una scarica continua di bassa intensità (scarica di mantenimento); in questo modo la commutazione della corrente di scarica risulta essere molto più veloce. Nel funzionamento in continua o ad impulsi, quando si vogliono ottenere potenze medie dell'ordine della decina di watt, si utilizza un alimentatore in grado di erogare correnti dell'ordine delle decine di mA con tensioni dei 10÷20 kV collegato fra anodo e massa. Fra catodo e massa si deve inserire un limitatore di corrente; questo potrebbe essere una resistenza, ma si preferisce utilizzare un generatore a corrente costante, controllato in modo tale da potere facilmente regolare la corrente della scarica e quindi avere anche il funzionamento ad impulsi. Un generatore a corrente costante può essere realizzato utilizzando un dispositivo a stato solido (transistore o FET) ma, date le elevate tensioni in gioco, si utilizzano tubi a vuoto (pentodo o tetrodo a fascio). LASER A CO2 SIGILLATI Se nel laser a flusso longitudinale si blocca il flusso dei gas, il funzionamento cessa dopo pochi secondi perché non sono più rimossi i prodotti delle reazioni chimiche creati dalla scarica ed in particolare l'ossido di carbonio (CO). Si è trovato che aggiungendo una piccola quantità (1%) di acqua alla miscela gassosa il sistema continua funzionare, molto probabilmente per reazioni del tipo: CO* + H2O → CO2* + H2 e 2H2 + O2 → 2H2O In base a questo principio si trovano in commercio laser sigillati, ossia che non richiedono un ricambio continuo dei gas. LASER A CO2 A FLUSSO TRASVERSALE Per facilitare il raffreddamento, si fa in modo da avere un ricambio continuo della miscela gassosa nella direzione trasversale all'asse del risuonatore. Poiché in questo caso il flusso della miscela gassosa è notevole, la miscela è posta nuovamente in circolazione dopo che ha attraversato un sistema di refrigerazione.


LASER A CO2 AD ECCITAZIONE TRASVERSALE Per aumentare la potenza di uscita è necessario aumentare la densità del gas, ossia la pressione, ma in questo caso la differenza di potenziale fra gli elettrodi deve aumentare; per evitare di utilizzare tensioni eccessivamente elevate si dispongono gli elettrodi trasversalmente rispetto all'asse del risuonatore; in questo modo la distanza fra gli elettrodi può essere notevolmente ridotta ed è sufficiente applicare tensioni non eccessivamente elevate anche raggiungendo all'interno del tubo la pressione atmosferica (si tenga presente che per innescare la scarica a pressione atmosferica sono necessari circa 12kV/cm). Normalmente non si utilizzano in questa disposizione due soli elettrodi ma parecchi catodi ed un anodo, come mostrato in figura 25.

Fig. 25

Si ha una linea di trasmissione nella quale viaggia l'impulso di alta tensione che genera una scarica elettrica distribuita ed abbastanza uniforme. Una disposizione costituita da due semplici elettrodi produrrebbe inevitabilmente una scarica localizzata soltanto in alcune zone, quelle in cui gli elettrodi sono, anche di poco, più vicini. Questi laser prendono spesso il nome di laser TEA, acronimo di "Transversally Excited at Atmospheric pressure" e sono caratterizzati da una elevata larghezza di riga (≈ 3GHz) dovuta alle collisioni. LASER A CO2 GASDINAMICO L'inversione di popolazione è ottenuta mediante una rapida espansione di una miscela di gas che si trova inizialmente ad alta temperatura ed elevata pressione. Come schematizzato in figura 26, l'espansione avviene nel trasferimento attraverso una piccola apertura della miscela gassosa verso un ambiente dove la pressione è molto più bassa. Per effetto dell'espansione la temperatura dei gas, ed in particolare dell'anidride carbonica, diminuisce rapidamente. Nella zona in cui la pressione e la temperatura sono alte la popolazione nei livelli rispetta la legge di distribuzione di Boltzmann, ossia la popolazione del livello 100 (livello laser inferiore) è superiore alla popolazione del livello 001 (livello laser superiore). Appena inizia l'espansione il livello 100 sente immediatamente (vita media piccola) l'abbassamento di temperatura e si spopola mentre il livello 001 sente l'abbassamento di temperatura dopo un certo tempo (vita media più grande) e quindi rimane popolato. Anzi la popolazione del livello 001 può aumentare perché raccoglie l'energia ceduta dalle molecole di azoto


che per effetto dell'abbassamento di temperatura tendono a passare verso i livelli più bassi. Poiché la miscela gassosa fluisce velocemente in una certa direzione (z in figura 26), in una zona, di non equilibrio termodinamico, si verifica l'inversione di popolazione. Posizionando trasversalmente a questa zona un risuonatore si possono avere oscillazioni. In conclusione, il funzionamento è basato sulle differenti vite medie dei livelli laser superiore ed inferiore.

Fig. 26

Il riscaldamento della miscela gassosa può essere ottenuto per combustione, quindi senza l'impiego di energia elettrica. Si sono ottenute potenze dell'ordine di 60kW. Questo tipo di laser difficilmente funziona in continua per le alte temperature che si raggiungono, proibitive sopratutto per le finestre e gli specchi. Altro inconveniente è il rumore acustico prodotto dalla rapida espansione. Questi laser, sviluppati per applicazioni militari, rappresentano un esempio di come si può ottenere il pompaggio senza utilizzare energia elettrica o luminosa. Laser ad elettroni liberi Questo tipo di laser utilizza come mezzo attivo un fascio di elettroni che attraversa con elevata velocità, e quindi energia, un campo magnetico spazialmente alternato, come mostrato in figura 27. Il fascio generato da un cannone elettronico, per effetto della forza di Lorentz del campo magnetico spazialmente alternato, descrive una traiettoria approssimativamente sinusoidale. Gli elettroni oscillando irradiano preferenzialmente nella direzione dell'asse del risuonatore e si può raggiungere un sincronismo fra il campo elettrico dell'onda luminosa che viaggia fra gli specchi ed il moto degli elettroni. La lunghezza d'onda di emissione dipende dal passo della struttura dei magneti e dalla velocità degli elettroni. Quindi agendo su questi parametri si può ottenere, almeno in via teorica, un funzionamento con continuità dalle microonde ai raggi X. Tuttavia, per la difficoltà di realizzare strutture


periodiche magnetiche di piccolo passo ed a causa della riduzione della velocità degli elettroni per effetto relativistico che richiede cannoni elettronici di elevata potenza, è molto difficile costruire laser che funzionano nel campo del visibile o dell'ultravioletto.

Fig. 27

Laser chimici In questi laser l'inversione di popolazione è prodotta direttamente da una reazione chimica che di solito è fra elementi o composti allo stato gassoso; l'energia chimica di reazione è rilasciata come energia di vibrazione delle molecole. Si ottengono lunghezze d'onda nel campo dell'infrarosso, fra 3 e 10 µm. La reazione è innescata dalla luce ultravioletta, da un fascio elettronico o da una scarica elettrica. Il più noto fra questi laser è quello che utilizza reazioni fra l'idrogeno (H2) ed il fluoro (F2). L'idrogeno ed il fluoro a temperatura ambiente ed in assenza di sollecitazioni esterne coesistono fra loro ma per effetto della luce ultravioletta o di un fascio elettronico o di una scarica elettrica reagiscono nei seguenti modi: F + H2 → HF(v=3) + H F2 + H → HF(v=9) + F. La prima reazione è detta fredda perché porta al livello vibrazionale 3, la seconda calda perché porta al livello vibrazionale 9. L'idrogeno atomico liberato nella prima reazione reagisce con la molecola fluoro generando la seconda reazione e viceversa, sino all'esaurimento dei due gas e la completa trasformazione in acido fluoridrico. Si può avere funzionamento in continua o con impulsi dell'ordine del kJ della durata di 60ns. L'inconveniente di questi laser è che sia il fluoro che l'acido fluoridrico che si produce sono fortemente corrosivi e pericolosi. Diodo laser Alla base del funzionamento di questi laser è una giunzione fra due semiconduttori degeneri, uno di tipo p e l'altro di tipo n. Un semiconduttore si dice drogato in modo degenere quando il drogaggio è tale che il livello di Fermi (livello al di sotto del quale allo zero assoluto tutti i livelli sono pieni)


si trova nella banda di valenza se il semiconduttore è di tipo p, come mostrato in figura 28a, e si trova nella banda di conduzione se il semiconduttore è di tipo n, come mostrato in figura 28b. Se invece il drogaggio non è degenere il livello di Fermi si trova nella banda interdetta, più o meno spostato verso la banda di valenza o di conduzione a secondo se il drogaggio è di tipo p oppure n.

Fig. 28

Ipotizzando di mettere insieme due semiconduttori degeneri, uno di tipo p e l'altro di tipo n, si ottiene un semiconduttore doppiamente degenere, il cui diagramma delle bande è rappresentato in figura 28c. Il semiconduttore doppiamente degenere esiste in condizione di non equilibrio termodinamico in quanto si verifica la ricombinazione, ossia passaggio di elettroni dai livelli alti, compresi fra EFC e EC, ai livelli più bassi, compresi fra EV ed EFV con cessione di energia sotto forma di fotoni. Supponendo di essere nella situazione (di non equilibrio termodinamico) di semiconduttore doppiamente degenere ed illuminando con una radiazione la cui frequenza è compresa nell'intervallo fra (EC-Ev)/h e (EFC-EFV)/h è possibile avere soltanto passaggio di elettroni con emissione di fotoni dal livello superiore a quello inferiore, ossia emissione stimolata ma non assorbimento perché l'energia non è sufficiente a superare il salto (EFC - EFV). Si deve ricordare che la banda (EFC-EC) è completamente piena di elettroni, almeno quando la temperatura è bassa. Viceversa la radiazione che ha una frequenza superiore a (EFC-EFV)/h è assorbita e contribuisce a popolare i livelli più alti. Quindi illuminando con una frequenza superiore a (EFC-EFV)/h si popolano i livelli più alti (livello 3) della banda compresa fra EFC ed EC, da uno dei livelli (livello 2) di questa banda si passa con emissione di radiazione ad uno dei livelli vuoti (livello 1) compresi fra EV ed EFV ed infine si passa al più alto livello libero (livello 0) al di sotto di EFV. Anziché inviare radiazione luminosa per pompare il sistema, si può ottenere e mantenere una situazione di non equilibrio termodinamico realizzando una giunzione fra semiconduttori degeneri di tipo p ed n e polarizzando direttamente questa giunzione. In assenza di polarizzazione i livelli di Fermi delle due zone devono trovarsi alla stessa altezza, come mostrato in figura 29. Se la giunzione è polarizzata direttamente i livelli di Fermi si spostano uno rispetto all'altro della quantità eV, dove


"e" è la carica dell'elettrone e "V" è la differenza di potenziale applicata. La situazione è rappresentata in figura 30.

Fig. 29 Fig. 30

Dalla figura 30 si osserva che nella parte centrale della giunzione è presente una zona in cui i livelli alti sono popolati e quelli più bassi spopolati. Ossia si è creata una zona di inversione di popolazione che esiste sino a quando la giunzione è polarizzata direttamente e le cariche sono iniettate in questa zona. Lo spessore di questa zona è paragonabile alla lunghezza di diffusione degli elettroni iniettati nella regione p (dell'ordine dei micron). L'emissione stimolata avviene fra uno qualsiasi dei livelli della banda di conduzione ed uno dei livelli della banda di valenza. Poiché è noto che in un semiconduttore i livelli nelle bande hanno una distribuzione pressoché continua, si deduce che la banda di emissione è larga se confrontata con quella di altri tipi di laser. Il passaggio dal livello alto a quello basso è dovuto non soltanto alla diseccitazione ottica ma anche ad altre cause indipendenti dalla radiazione ottica. Se il tempo di diseccitazione ottica è grande rispetto al tempo di diseccitazione per altre cause il semiconduttore non è adatto a funzionare da amplificatore ottico; in sostanza pochi elettroni sono utilizzabili per il processo attivo. Quando prevale il processo di diseccitazione ottica si dice che il semiconduttore è del tipo a "gap" diretta; in questo caso il passaggio da uno dei livelli alti ad uno basso avviene con un unico salto, viceversa avviene con passi intermedi. In questo caso sono emessi "quanti" di energia molto più piccoli detti fononi che aumentano l'agitazione termica, ossia la temperatura, del materiale. Silicio e germanio sono semiconduttori a gap indiretta e quindi non sono adatti al funzionamento da laser mentre diversi semiconduttori binari, come l'arseniuro di gallio (GaAs), telluriuro di piombo (PbTe), fosfuro di gallio (GaP), ... lo sono. Inoltre i semiconduttori binari sono caratterizzati da un'energia di gap (EG) piuttosto alta (≈ 1,48 eV per l'arseniuro di gallio a cui corrisponde una lunghezza d'onda di


circa 0,87 µm, ma con altri semiconduttori si possono ottenere differenti lunghezze d'onda sia nel visibile che nell'infrarosso come 1,3 e 1,55 µm, di particolare interesse nel campo delle comunicazioni in fibra ottica). Oggi si costruiscono laser a giunzione in grado di emettere anche nel violetto. A causa della notevole densità di elettroni nella giunzione il coefficiente di amplificazione di questi laser è molto grande e nettamente superiore a quello raggiungibile con altri laser. Il rendimento può essere del 50% mentre l'efficienza quantica si avvicina al 100%. Nei primi laser a giunzione, che dovevano lavorare a bassa temperatura, la corrente era molto elevata e pertanto era permesso soltanto il funzionamento impulsato. Oggi, grazie al migliore confinamento della corrente ed alla qualità dei materiali, i laser a giunzione funzionano in continua ed a temperatura ambiente. Grazie al pompaggio in corrente, alla bassa tensione di polarizzazione ed ai tempi di decadimento molto brevi è possibile ottenere una modulazione diretta per via elettrica. Questi laser, per la loro grande banda di guadagno, si prestano al funzionamento in agganciamento di fase. La struttura più semplice, rappresentata in figura 31 ed oggi superata, è costituita da una giunzione p-n di materiali dello stesso tipo (omogiunzione). La radiazione luminosa viaggia lungo la zona attiva di giunzione e vi rimane confinata perché per effetto dell'inversione di popolazione in quella zona l'indice di rifrazione aumenta un poco (effetto "lente convergente"). Gli specchi possono essere costituiti dalla semplice superficie di discontinuità, ben tagliata, fra l'aria e il semiconduttore. Infatti, a causa dell'elevato guadagno del mezzo attivo, la riflettività (circa il 33%) dovuta alla discontinuità fra l'arseniuro di gallio e l'aria consente l'innesco ed il mantenimento delle oscillazioni. Laser così fatti richiedono per il funzionamento correnti di alcuni ampere e quindi, per problemi termici, non possono funzionare in continua a meno di non utilizzare costosi sistemi di raffreddamento. Inoltre il confinamento della radiazione luminosa nella regione attiva è scadente perché l'aumento dell'indice di rifrazione nella zona di giunzione è piuttosto piccolo.

Fig. 31 Fig. 32


Per migliorare il confinamento della radiazione luminosa si utilizzano strutture che realizzano nello stesso semiconduttore, opportunamente modificato, un indice di rifrazione differente. In particolare si è trovato che sostituendo nel GaAs alcuni atomi di gallio con atomi di alluminio (AlxGa1-xAs) si ottiene un cristallo che, pur mantenendo pressoché la stessa costante reticolare, ha un indice di rifrazione più basso. L'energia di gap invece aumenta. Una tabella di confronto fra le caratteristiche dell'arseniuro di gallio e dell'arseniuro di alluminio è riportata più sotto.

GaAs AlAs Costante reticolare (Å) 5,65 5,66 Costante dielettrica εr 13,2 10,9 Energia di gap 1,43 2,16

Utilizzando quindi strutture, come mostrato in figura 32, in cui nelle zone adiacenti alla regione attiva l'indice di rifrazione è più basso è possibile ottenere giunzioni (doppie eterogiunzioni) con un buon confinamento della radiazione luminosa. Utilizzando la struttura riportata in figura 32 si ottiene un fascio sottile lungo la direzione ortogonale alla giunzione ma molto esteso trasversalmente. In genere si vuole un fascio che abbia, per quanto possibile, una sezione circolare o che si approssimi a questa. Esistono varie tecniche che consentono di migliore la geometria del fascio durante la sua generazione. Una soluzione è quella di cercare di iniettare la corrente soltanto lungo la zona centrale dove si vuole che la radiazione venga amplificata. Questo può essere fatto rendendo più resistive, ossia "passivando", le zone laterali del semiconduttore oppure, o in aggiunta, sistemando un sottile elettrodo soltanto nella zona centrale così come mostrato in figura 33. La passivazione del materiale può essere fatta con bombardamento protonico.

Fig. 33 Fig. 34 Un'altra soluzione che consente un buon confinamento trasversale della radiazione luminosa è quella di utilizzare la tecnica dell'eterostruttura anche trasversalmente. In


questo caso si ha una eterogiunzione sepolta (buried heterojunction laser), come mostrato in figura 34. Anche adottando le tecniche descritte si ottengono fasci con sezione ellittica, come mostrato in figura 33, mai circolare per cui, se richiesto, è necessario utilizzare un'ottica di correzione che deve impiegare almeno una lente cilindrica che compensi l'astigmatismo. Si osservi ancora dalla figura 33 che il fascio fuoriesce con una sezione ellittica il cui asse maggiore si trova lungo la direzione della giunzione ma dopo un breve tragitto l'asse maggiore dell'ellissi si trova lungo la direzione ortogonale alla giunzione. Questo è dovuto alla diffrazione. Non presentano l'inconveniente di generare fasci ellittici i diodi laser costruiti in modo tale che la radiazione viaggi ortogonalmente alla zona di giunzione. In questo caso la regione attiva, essendo attraversata trasversalmente alla giunzione, è molto ridotta (100÷200 nm contro i 200÷500 µm dei laser convenzionali) e per ottenere le oscillazioni è necessario utilizzare specchi dielettrici ad alta riflettività. Inoltre un elettrodo deve essere semitrasparente o deve avere una forma anulare per consentire la fuoriuscita della radiazione. Questo tipo di laser, chiamato VCSEL (acronimo di "Vertical Cavity Surface Emitting Laser") è rappresentato in figura 35.

Fig. 35

Per quanto riguarda la realizzazione degli specchi dei diodi laser tradizionali si è detto che per l'elevato guadagno del mezzo attivo è sufficiente utilizzare la semplice discontinuità aria-semiconduttore. Se si vuole abbassare la soglia di oscillazione le superfici estreme devono essere ricoperte da strati multidielettrici mentre se si vogliono utilizzare specchi esterni, ad esempio per diminuire la frequenza di ripetizione degli impulsi nel funzionamento ad agganciamento di fase, le facce estreme devono essere ricoperte da uno strato di adattamento. Se si vuole fare in modo da restringere il campo delle lunghezze d'onda di emissione si devono utilizzare specchi a banda stretta. Una soluzione è quella di realizzare nella stessa giunzione in prossimità degli estremi delle strutture periodiche (DBR, acronimo di "Distributed Bragg Reflector") che riflettono un campo molto limitato di lunghezze


d'onda, come rappresentato in figura 36. Altra soluzione è quella di realizzare in tutta la giunzione una struttura periodica (DFB, acronimo di "Distributed FeedBack") del tipo di quella rappresentata in figura 37. Questa struttura consente la propagazione di un campo molto limitato di lunghezze d'onda. La caratteristica della potenza di uscita di un diodo laser in funzione della corrente di alimentazione è non lineare: sino a che la corrente non ha raggiunto il valore di soglia (I th), la potenza di uscita è nulla, a parte un valore molto basso che aumenta linearmente con la corrente, dovuta all'emissione spontanea; poi, superato il valore di soglia della corrente, la potenza aumenta molto rapidamente sino alla distruzione del dispositivo per eccessivo riscaldamento della zona di giunzione. Quindi il controllo della corrente e della potenza di uscita è estremamente critico. I diodi laser sono soggetti ad invecchiamento che si manifesta nello slittamento verso valori sempre più alti della corrente di soglia. Poiché l'invecchiamento dipende fortemente dalla temperatura e poiché la temperatura dipende dalla corrente che attraversa la giunzione, se non si presta attenzione si può generare un processo a catena che in breve tempo distrugge il diodo laser.

Fig. 36 Fig. 37 Spesso in prossimità dei diodo laser è sistemato un fotodiodo che, raccogliendo la luce trasmessa dallo specchio a più alta riflettività, quindi non di uscita, consente di avere continuamente un'informazione della potenza di uscita. Una tipica disposizione di un diodo laser, montato su un supporto a temperatura costante (cella Peltier con termistore), accoppiato ad una fibra ottica e con un fotodiodo di controllo della potenza, è rappresentata in figura 38.

Fig. 38 Fig. 39


Un'altra tipica disposizione è riportata in figura 39 dove il fascio è libero di propagarsi nell'aria, è ancora presente un fotodiodo di controllo ed il diodo laser è montato su un dissipatore che, se necessario, può essere termicamente collegato a un dissipatore esterno. Tipicamente sono necessarie alcune decine di milliampere per ottenere potenze di uscita di alcuni milliwatt. I diodi laser trovano applicazione nelle comunicazioni in fibra ottica oltre che in tanti altri campi, dal pompaggio di altri laser alla scrittura dei CD e dei DVD. I diodi laser benché siano molto efficienti non sono in grado di erogare potenze elevate per la piccola dimensione dell'area di giunzione. Bibliografia - A. Yariv, Introduction to Optical Electronics - HRW - J.T. Verdeyen, Laser Electronics- Prentice Hall - D. Meschede, Optics, Light and Lasers – Wiley-VCH - M. Csele, Fundamentals of Light Sources and Lasers - Wiley - P. Das, Lasers and Optical Engineering – Springer-Verlag

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