Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche

Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche

•Il Neodimio come materiale attivo

•Cristalli laser

•Ceramiche laser

•Parametri di pompa

•Conclusioni

Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe



Il Neodimio come materiale attivo

Terra raraSimbolo: NdNumero atomico: 60Termine spettroscopico: 4I9/2

Usato come dopante attivo in materiali vetrosi, cristallini, ceramiciUsato come dopante nella forma di ione trivalente Nd3+ In YAG sostituisce lo ione Y3+ di cui ha stessa valenza e volume



Il Neodimio come materiale attivo



Cristalli singoliCristalli laser

Policristallino

Monocristallino

“grani” in materiale amorfo (persenza di separazione tra grani)

Reticolo continuo su tutto il campione (no superfici intergrano)

Ceramiche laser

YAG Yttrium Aluminium Garnet



Cristalli laser

Proprietà macroscopiche dei cristalli laser

•Devono avere alta trasparenza nelle regioni di pompa ed emissione laser•Concentrazione massima di dopanti•Rsistenza meccanica e dimensioni massime•Per laser di potenza: alta contuttività termica•Isotropia ottica o birifrangenza (filtro frequenze di emissione spontanea)



Le capacità dei materiali ceramici laser

•grandi dimensioni•migliore versatilità nella composizone(laser monolitico)•migliore concentrazione di dopanti•stesse qualità ottiche dei cristalli singoli

Per Nd:GSGG.pompaggio diretto al livello 4F3/2 -> potenza di pompa assorbita + 10% 4F3/2 -> 4I11/2 calore generato - 30% 4F3/2 -> 4I9/2 calore generato -50%rispetto Nd:YAG pompa 4F5/2

Ceramiche laser



Ceramiche laser

I materiali trasparenti, policristallini prodotti con tecniche ceramiche •corpi molto densi •grani cristallini di dimensione uniforme•strettamente imppacchettati e orientati casualmente •volume molto piccolo dei pori inter-grani ≈ nm

La dimensione dei grani ceramici è importante poiché essa può influenzare le proprietà ottiche, meccaniche e termiche del materiale ceramico. Essa determina inoltre il rapporto tra la superficie e il volume dei grani controllando l’estensione di possibili effetti di superficie deleteri.



Primo tentativo: sinterizzazione tradizionaleLa sinterizzazione è un trattamento termico di un compatto di polveri al di sotto del punto di fusione del componente principale: si parte da piccole particelle solide, che poi sono fatte "saldare" tra loro scaldandole. La temperatura raggiunta è compresa tra 0,7 e 0,9 volte la temperatura di fusione.

Ceramiche laser

Il risultato fu di ottenere un materiale traslucido con una grande densità di pori inter-grani e ciò pregiudicò l’emissione laser

La sinterizzazione è un processo spontaneo che porta all’abbassamento dell’energia libera del sistema.Se il sistema non cambia composizione chimica e statoenergia libera = energia delle superficiSinterizzazione = minimizzazione delle superfici



Ceramiche laser

Oggi è stata sviluppata una nuova classe di metodi basati su reazioni allo stato liquido per creare un precursore contenente tutti i cationi del composto finale. Il composto così ottenuto è amorfo, ma dopo un trattamento con calore a 600-800°C evolve in un materiale nanocristallino che può essere trasformato in ceramica trasparente con grani di qualche micron tramite sinterizzazione sotto vuoto ad alta temperatura senza bisogno della compressione isostatica.

1995, Ikesue et al. (Y3O3 ) dimostrarono che la densità dei pori poteva essere drasticamente ridotta con la compressione isostatica prima della sinterizzazione sotto vuoto finale a 1700°C pori -> decine di nanometroHIP(Hot Isostatic Pressing)La polvere viene inserita in un contenitore e sottoposta ad altissime temperature sotto vuoto per rimuovere aria e particelle d’acqua. Il contenitore viene sigillato e l’applicazione di alte pressioni tramite gas inerte ad alte temperature rimuove le porosità interne.



Parametri di pompa

In questa trattazione verra’ utilizzato un laser CW 4 livelli con emissione laser 1064 nm e potenze raggiunte massime di 511 W con pompa trasversaleL’ emissione laser CW e’ caratterizzata da 2 parametri che dipendono dalla potenza di pompa assorbita e in particolare dai seguenti parametri di efficienza. Soglia di emissione (threshold)

eradlqdqesevp

lath f

AhvP

)(

Slope efficency

)()( lqdsevp

asl

L’ottimizzazione mira ad aumentare la pendenza del grafico potenza incidente contro potenza emessa e ad avvicinare il piu’ possibile lintercetta sull’asse potenza incidente a 0 (diminuire threshold)



Parametri di pompa

•ηp pump level efficiency esprime la frazione degli ioni laser eccitati al livello energetico di pompa che si diseccitano al livello di emissione•ηv superposition efficiency tra il volume del modo laser e il volume della radiazione di pompa •ηse stimulated emission efficiency la frazione di ioni eccitati nel livello di emissione che si diseccitano per emissione stimolata•ηqe emission quantum efficiency la frazione di ioni eccitati che si diseccitano per processo radiativo (luminescnza) in assenza di radiazione laser •τrad spontaneous radiative lifetime of the emitting level•σe cross-section per il livello di emissione•fl coefficiente di emissione di calore per il livello di emissione •A la diemensione del fascio di pompaIl rapporto tra le lunghezza d’onda di pompa e di emissione



Parametri di pompa

La frazione di potenza assorbita che viene convertita in emissione laser e’ data da

La frazione di potenza assorbita che viene convertita in emissione luminescente

La frazione di potenza assorbita che viene convertita in calore quindi diventa

Solo una parte degli ioni eccitati al livello di emssione parteciperanno all’emissione laser questa frazione viene definita come efficienza laser

Dove fth= Pth/P rappresenta la frazione di degli ioni eccitati alla soglia laser

thsevl f 1



I due casi limite

•Generazione di calore in assenza di emissione laser (ηl = 0)

•Generazione di calore con alta emissione laser(ηl = 1)

Parametri di pompa

Mostrano come a parita’ di efficienza di pompa, aumentando i rapporti

Diminuisce la formazione di calore



Una lunghezza d’onda di pompa più vicina possibile al quella del laser determinerà parametri migliori e meno generazione di calore

Questo e’ vero perche’ il livello di pompa piu’ lontano implica un salto energetico ad un livello orbitale superiore a quello dell’emissione laser. Il conseguente decadimento non radiativo produce calore.Quindi eliminando il quarto livello e pompando al livello di emissione aumento il rapporto ηqp (questo perche’ andando ad un livello piu’ basso con la pompa sono a lambda maggiore e quindi piu’ vicino alla lambda di emissione)

Parametri di pompa



Tradizionalmente il laser Nd:YAG viene pompato con λ ≈ 809 nm nel livello fortemente assorbente 4F5/2 emissione a 1064 nm dal lvello 4F3/2.

La differenza di energia tra I due livelli energetici viene dispersa in calore.

Nei materiali ceramici vinene aumenetata l’efficienza di assorbimento al livello 4F3/2 •aumentando la concentrazione di dopanti 1% -> 9%•costruendo barre piu’ larghe•Ricircolando la radiazione di pompa

Parametri di pompa



Il laser CW 1064 nm, sotto pompaggio diretto con 885 nm al livello di emissione di Nd3+ in ceramica YAG (with up to 6.8 at.% Nd, Ti:sapphire e diode laser pumping), ha mostrato migliori parametri laser (slope efficency e threshold) rispetto al tradizionale con pompa a 809 nm 4 livelli.

Parametri di pompa

La transizione 4I9/2 -> 4F3/2 ha 2 λ possibili:•869 nm spessore della riga < 1 nm (1 at.% Nd)•885 nm centro di un doppio picco di laghezza 2.5 nm

Viene scelta la 885 nm perla sua mggiore efficienza alle alte temperature e per il miglior rapporto ηqe



Conclusioni



Esiste un limite fisico all’ aumento di concetrazione di dopanti :

cross-relaxation energy transferL’ alta concentrazione di Nd puo’ ridurre l’efficienza quantica di emissione a causa del trasferimento di energia tra ioni di Nd3+ (4F3/2 ,4I9/2)->(4I15/2, 4I15/2)

Extra



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