Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche •Il Neodimio come materiale attivo •Cristalli laser •Ceramiche laser •Parametri di pompa •Conclusioni Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Il Neodimio come materiale attivo Terra rara Simbolo: Nd Numero atomico: 60 Termine spettroscopico: 4I9/2 Usato come dopante attivo in materiali vetrosi, cristallini, ceramici Usato come dopante nella forma di ione trivalente Nd3+ In YAG sostituisce lo ione Y3+ di cui ha stessa valenza e volume Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Il Neodimio come materiale attivo Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Cristalli laser Cristalli singoli Policristallino “grani” in materiale amorfo (persenza di separazione tra grani) Ceramiche laser Monocristallino Reticolo continuo su tutto il campione (no superfici intergrano) YAG Yttrium Aluminium Garnet Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche 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) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser 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% 4F 4I 3/2 -> 11/2 calore generato - 30% 4F 4I 3/2 -> 9/2 calore generato -50% rispetto Nd:YAG pompa 4F5/2 Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche 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. Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser Primo tentativo: sinterizzazione tradizionale La 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. La sinterizzazione è un processo spontaneo che porta all’abbassamento dell’energia libera del sistema. Se il sistema non cambia composizione chimica e stato energia libera = energia delle superfici Sinterizzazione = minimizzazione delle superfici Il risultato fu di ottenere un materiale traslucido con una grande densità di pori intergrani e ciò pregiudicò l’emissione laser Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser 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 nanometro HIP(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. 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 600800°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. Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche 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 trasversale L’ 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) Pth( a ) Ahvl pv seqeqd f l rad e Slope efficency (l ) sl( a) pvseqd 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) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche 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 pompa Il rapporto tra le lunghezza d’onda di pompa e di emissione Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa Solo una parte degli ioni eccitati al livello di emssione parteciperanno all’emissione laser questa frazione viene definita come efficienza laser l v se 1 f th Dove fth= Pth/P rappresenta la frazione di degli ioni eccitati alla soglia laser 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 Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa I due casi limite •Generazione di calore in assenza di emissione laser (ηl = 0) •Generazione di calore con alta emissione laser(ηl = 1) Mostrano come a parita’ di efficienza di pompa, aumentando i rapporti Diminuisce la formazione di calore Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa 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) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche 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 Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche 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 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. Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Conclusioni Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Extra Esiste un limite fisico all’ aumento di concetrazione di dopanti : cross-relaxation energy transfer L’ 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) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Extra Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe
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