Il primo principio del laser, la cui fisica era basata sulla legge della radiazione di Planck, fu teoricamente confermato da Einstein nel 1917. Ha descritto l'assorbimento, la radiazione elettromagnetica spontanea e stimolata utilizzando coefficienti di probabilità (coefficienti di Einstein).
Pionieri
Theodor Meiman è stato il primo a dimostrare il principio di funzionamento di un laser al rubino basato sul pompaggio ottico del rubino sintetico con una lampada flash, che produceva una radiazione pulsata coerente con una lunghezza d'onda di 694 nm.
Nel 1960, gli scienziati iraniani Javan e Bennett hanno creato il primo generatore quantistico di gas utilizzando una miscela 1:10 di gas He e Ne.
Nel 1962, RN Hall dimostrò il primo laser a diodi all'arseniuro di gallio (GaAs) che emetteva a una lunghezza d'onda di 850 nm. Nello stesso anno, Nick Golonyak sviluppò il primo generatore quantico di luce visibile a semiconduttore.
Progettazione e principio di funzionamento dei laser
Ogni sistema laser è costituito da un mezzo attivo posizionatotra una coppia di specchi otticamente paralleli e altamente riflettenti, di cui uno traslucido, e una fonte di energia per il suo pompaggio. Il mezzo di amplificazione può essere un solido, liquido o gas, che ha la proprietà di amplificare l'ampiezza di un'onda luminosa che lo attraversa mediante emissione stimolata con pompaggio elettrico o ottico. Una sostanza viene posta tra una coppia di specchi in modo tale che la luce in essi riflessa lo attraversi ogni volta e, raggiunta una notevole amplificazione, penetri in uno specchio traslucido.
Ambienti a due livelli
Consideriamo il principio di funzionamento di un laser con un mezzo attivo, i cui atomi hanno solo due livelli di energia: Mi eccitato2 e Mi di base1 . Se gli atomi sono eccitati allo stato E2 da qualsiasi meccanismo di pompaggio (ottica, scarica elettrica, trasmissione di corrente o bombardamento di elettroni), dopo alcuni nanosecondi torneranno alla posizione di terra, emettendo fotoni di energia hν=MI 2 - MI1. Secondo la teoria di Einstein, l'emissione è prodotta in due modi diversi: o è indotta da un fotone, oppure avviene spontaneamente. Nel primo caso avviene un'emissione stimolata, nel secondo un'emissione spontanea. All'equilibrio termico, la probabilità di emissione stimolata è molto più bassa dell'emissione spontanea (1:1033), quindi la maggior parte delle sorgenti luminose convenzionali sono incoerenti e la generazione laser è possibile in condizioni diverse da quelle termiche equilibrio.
Anche con molto fortepompaggio, la popolazione dei sistemi a due livelli può solo essere resa uguale. Pertanto, sono necessari sistemi a tre o quattro livelli per ottenere l'inversione della popolazione mediante metodi di pompaggio ottici o di altro tipo.
Sistemi multilivello
Qual è il principio del laser a tre livelli? L'irradiazione con luce intensa di frequenza ν02 pompa un gran numero di atomi dal livello di energia più basso E0 al livello di energia più alto E 2. La transizione non radiativa degli atomi da E2 a E1 stabilisce un'inversione di popolazione tra E1 e E 0 , che in pratica è possibile solo quando gli atomi sono in uno stato metastabile per lungo tempo E1, e la transizione da E2a E 1 sta andando veloce. Il principio di funzionamento di un laser a tre livelli è soddisfare queste condizioni, grazie alle quali tra E0 e E1 si ottiene un'inversione di popolazione e fotoni sono amplificati dall'emissione di energia E 1-E0 indotta. Un livello più ampio di E2 potrebbe aumentare l'intervallo di assorbimento della lunghezza d'onda per un pompaggio più efficiente, con conseguente aumento dell'emissione stimolata.
Il sistema a tre livelli richiede una potenza della pompa molto elevata, poiché il livello inferiore coinvolto nella generazione è quello di base. In questo caso, affinché avvenga l'inversione della popolazione, più della metà del numero totale di atomi deve essere pompato allo stato E1. In questo modo si spreca energia. La potenza di pompaggio può essere significativadiminuire se il livello di generazione inferiore non è quello di base, che richiede almeno un sistema a quattro livelli.
A seconda della natura del principio attivo, i laser si dividono in tre categorie principali, ovvero solidi, liquidi e gas. Dal 1958, quando il laser è stato osservato per la prima volta in un cristallo di rubino, scienziati e ricercatori hanno studiato un'ampia varietà di materiali in ogni categoria.
Laser a stato solido
Il principio di funzionamento si basa sull'uso di un mezzo attivo, che si forma aggiungendo un metallo del gruppo di transizione al reticolo cristallino isolante (Ti+3, Cr +3, V+2, С+2, Ni+2, Fe +2, ecc.), ioni di terre rare (Ce+3, Pr+3, Nd +3, Pm+3, Sm+2, Eu +2, +3 , Tb+3, Dy+3, Ho+3 , Er +3, Yb+3, ecc.) e attinidi come U+3. I livelli di energia degli ioni sono responsabili solo della generazione. Le proprietà fisiche del materiale di base, come la conduttività termica e l'espansione termica, sono essenziali per un funzionamento efficiente del laser. La disposizione degli atomi del reticolo attorno a uno ione drogato cambia i suoi livelli di energia. Diverse lunghezze d'onda di generazione nel mezzo attivo si ottengono drogando diversi materiali con lo stesso ione.
Laser a olmio
Un esempio di laser a stato solido è un generatore quantistico, in cui l'olmio sostituisce un atomo della sostanza base del reticolo cristallino. Ho:YAG è uno dei materiali della migliore generazione. Il principio di funzionamento di un laser a olmio è che il granato di ittrio e alluminio è drogato con ioni di olmio, pompato otticamente da una lampada flash ed emette a una lunghezza d'onda di 2097 nm nella gamma IR, che è ben assorbita dai tessuti. Questo laser viene utilizzato per interventi sulle articolazioni, nel trattamento dei denti, per l'evaporazione delle cellule tumorali, dei reni e dei calcoli biliari.
Generatore quantistico a semiconduttore
I laser per pozzi quantistici sono economici, producibili in serie e facilmente scalabili. Il principio di funzionamento di un laser a semiconduttore si basa sull'uso di un diodo a giunzione p-n, che produce luce di una certa lunghezza d'onda mediante ricombinazione del vettore con una polarizzazione positiva, simile ai LED. I LED emettono spontaneamente e diodi laser - forzati. Per soddisfare la condizione di inversione della popolazione, la corrente di esercizio deve superare il valore di soglia. Il mezzo attivo in un diodo a semiconduttore ha la forma di una regione di collegamento di due strati bidimensionali.
Il principio di funzionamento di questo tipo di laser è tale che non è necessario alcuno specchio esterno per mantenere le oscillazioni. A tale scopo è sufficiente la riflettività creata dall'indice di rifrazione degli strati e dalla riflessione interna del mezzo attivo. Le superfici terminali dei diodi sono scheggiate, il che assicura che le superfici riflettenti siano parallele.
Una connessione formata da materiali semiconduttori dello stesso tipo è chiamata omogiunzione e una connessione creata da una connessione di due diversi è chiamataeterogiunzione.
I semiconduttori di tipo P e n con elevata densità portante formano una giunzione p-n con uno strato di svuotamento molto sottile (≈1 µm).
Laser a gas
Il principio di funzionamento e l'utilizzo di questo tipo di laser consente di creare dispositivi di quasi ogni potenza (da milliwatt a megawatt) e lunghezza d'onda (da UV a IR) e consente di lavorare in modalità pulsata e continua. In base alla natura dei mezzi attivi, esistono tre tipi di generatori quantici di gas, vale a dire atomici, ionici e molecolari.
La maggior parte dei laser a gas viene pompata con una scarica elettrica. Gli elettroni nel tubo di scarica sono accelerati dal campo elettrico tra gli elettrodi. Entrano in collisione con atomi, ioni o molecole del mezzo attivo e inducono una transizione verso livelli energetici più elevati per raggiungere uno stato di inversione della popolazione ed emissione stimolata.
Laser molecolare
Il principio di funzionamento di un laser si basa sul fatto che, a differenza di atomi e ioni isolati, le molecole nei generatori quantici atomici e ionici hanno ampie bande di energia con livelli di energia discreti. Inoltre, ogni livello di energia elettronica ha un gran numero di livelli vibrazionali e questi, a loro volta, hanno diversi livelli di rotazione.
L'energia tra i livelli di energia elettronica è nelle regioni UV e visibile dello spettro, mentre tra i livelli vibrazionale-rotazionale - nell'IR lontano e vicinole zone. Pertanto, la maggior parte dei generatori quantistici molecolari operano nelle regioni del lontano o vicino infrarosso.
Laser ad eccimeri
Gli eccimeri sono molecole come ArF, KrF, XeCl, che hanno uno stato fondamentale separato e sono stabili al primo livello. Il principio di funzionamento del laser è il seguente. Di norma, il numero di molecole nello stato fondamentale è piccolo, quindi non è possibile il pompaggio diretto dallo stato fondamentale. Le molecole si formano nel primo stato elettronico eccitato combinando alogenuri ad alta energia con gas inerti. La popolazione dell'inversione è facilmente realizzabile, poiché il numero di molecole a livello di base è troppo piccolo rispetto a quello eccitato. Il principio di funzionamento di un laser, in breve, è il passaggio da uno stato elettronico eccitato legato a uno stato fondamentale dissociativo. La popolazione allo stato fondamentale rimane sempre a un livello basso, perché le molecole a questo punto si dissociano in atomi.
Il dispositivo e il principio di funzionamento dei laser è che il tubo di scarica è riempito con una miscela di alogenuri (F2) e gas di terre rare (Ar). Gli elettroni al suo interno si dissociano e ionizzano le molecole di alogenuro e creano ioni caricati negativamente. Gli ioni positivi Ar+ e negativi F- reagiscono e producono molecole di ArF nel primo stato legato eccitato con la loro successiva transizione allo stato base repulsivo e generazione di radiazione coerente. Il laser ad eccimeri, il principio di funzionamento e l'applicazione di cui stiamo ora considerando, può essere utilizzato per pomparemezzo attivo sui coloranti.
Laser liquido
Rispetto ai solidi, i liquidi sono più omogenei e hanno una densità di atomi attivi maggiore rispetto ai gas. Inoltre, sono facili da produrre, consentono una facile dissipazione del calore e possono essere facilmente sostituiti. Il principio di funzionamento del laser consiste nell'utilizzare coloranti organici come mezzo attivo, come DCM (4-dicianometilene-2-metil-6-p-dimetilamminostiril-4H-pirano), rodamina, stirile, LDS, cumarina, stilbene, ecc…, disciolto in un solvente appropriato. Una soluzione di molecole coloranti viene eccitata da radiazioni la cui lunghezza d'onda ha un buon coefficiente di assorbimento. Il principio di funzionamento del laser, in breve, è quello di generare ad una lunghezza d'onda maggiore, detta fluorescenza. La differenza tra l'energia assorbita e i fotoni emessi viene utilizzata dalle transizioni di energia non radiativa e riscalda il sistema.
La più ampia banda di fluorescenza dei generatori quantistici liquidi ha una caratteristica unica: la regolazione della lunghezza d'onda. Il principio di funzionamento e l'uso di questo tipo di laser come sorgente di luce sintonizzabile e coerente sta diventando sempre più importante nella spettroscopia, nell'olografia e nelle applicazioni biomediche.
Recentemente, i generatori quantistici di colorante sono stati utilizzati per la separazione degli isotopi. In questo caso, il laser eccita selettivamente uno di loro, spingendolo a entrare in una reazione chimica.
