LEZIONE 2
I diodi Laser
Si pensa che in futuro i diodi laser sostuiranno o saranno
parte essenziale di qualunque altro tipo di laser – per esempio
nei DPSS (Diode Pumped Solid State) nella maggior parte
delle applicazioni. Rispetto a tutti gli altri Laser essi hanno
caratteristiche molto vantaggiose: basso costo, lunga durata
di vita, piccolissime dimensioni (paragonabili a quelle di un
transistor), rendimento energetico elevatissimo, possibilità
di essere fabbricati per emissioni in qualunque lunghezza
d’onda, accordabilità con grande precisione.
Ognuna di queste caratteristiche li rende essenziali in qualche
campo di applicazione. Per esempio: la grande affidabilità e
lunghezza di vita negli strumenti per il sequenziamento del
DNA, che devono lavorare per giorni senza interruzione sul
singolo genoma; il basso costo in tutte le applicazioni di
elettronica commerciale (stampanti Laser, lettori e masterizzatori di CD-ROM, riproduttori di CD, DVD, Blu-Ray disk);
La grande affidabilita’ nei lettori di codici a barre delle
casse dei supermercati, ecc., tutte applicazioni che
erano inconcepibili prima dell’avvento dei diodi Laser.
Nel nostro campo di interesse, la Fisica atomica, è la loro
precisa accordabilità ad altissima risoluzione insieme
all’alta potenza ottica che li rende preziosi e preferibili
ad altri tipi di Laser accordabili, come per esempio i Laser
a coloranti, molto più complessi, delicati, meno stabili
e di esigente manutenzione.
Daremo qui di seguito qualche informazione sulle
caratteristiche dei diodi Laser e sul loro impiego in tutti
quegli esperimenti che richiedono potenze ottiche di
centinaia di mW e accordabilità con la precisione dei
MHz nel campo ottico (centinaia di THz  1014 Hz): 1/108.
LASER A DOPPIA ETEROSTRUTTURA
Nella zona attiva gli elettroni e le lacune si ricombinano
con emissione di un fotone per ogni processo elementare.
Se la corrente supera una soglia si ha emissione stimolata
LUNGHEZZE D’ONDA DEI DIODI LASER
•375 nm – excitation of Hoechst stain, Calcium Blue, and
other fluorescent dyes in fluorescence
microscopy
•405 nm – InGaAs blue-violet laser, in Blu-Ray Disk (25
Gb/strato) and HD-DVD (15 GB/strato) drives
•445 nm – InGaN deep blue laser multimode diode
recently introduced (2010) for use in mercury
free high brightness data projectors
•473 nm – Bright blue laser pointers, still very
expensive, output of DPSS systems
•485 nm – excitation of GFP and other fluorescent dyes
•510 nm - Green diodes recently (2010) developed by
Nichia for laser projectors.
•532 nm – AlGaAs-pumped bright green laser pointers,
frequency doubled 1064 nm Nd:YAG Laser or
(more commonly in Laser pointers) Nd:YVO IR
lasers (SHG)
•593 nm – Yellow-Orange laser pointers, DPSS
•635 nm – AlGaInP better red laser pointers, same
power subjectively 5 times as bright as 670 nm
one
•640 nm – High brightness red DPSS laser pointers
•657 nm – AlGaInP DVD drives, laser pointers
•670 nm – AlGaInP cheap red Laser pointers
•760 nm – AlGaInP gas sensing: O2
•785 nm – GaAlAs Compact Disc drives
•808 nm – GaAlAs pumps in DPSS Nd:YAG Lasers (e.g.
in green laser pointers or as arrays in higherpowered lasers)
•848 nm – Laser mice (sing.: mouse)
•980 nm – InGaAs pump for optical amplifiers, for
Yb:YAG DPSS lasers
•1064 nm – AlGaAs fiber-optic communication
•1310 nm – InGaAsP fiber-optic communication
•1480 nm – InGaAsP pump for optical amplifiers
•1512 nm – InGaAsP gas sensing: NH3
•1550 nm – InGaAsP fiber-optic communication
•1625 nm – InGaAsP fiber-optic communication,
service channel
•1654 nm – InGaAsP gas sensing: CH4
•1877 nm – GaSbAs gas sensing: H2O
•2004 nm – GaSbAs gas sensing: CO2
•2330 nm – GaSbAs gas sensing: CO
•2680 nm – GaSbAs gas sensing: CO2
ASTIGMATISMO
PARAMETRI DI CONTROLLO
DEI DIODI LASER
Variazione della lungh. d’onda con la temperatura:
Δλ/Δt = 0,2 nm/°K  2Å/°K a 795 nm
Rispetto alla variazione della corrente di iniezione si
ha:
Δλ/ΔI = 0,01 nm/mA  0,1 Å/mA
La frequenza ottica varia, per variazioni di
temperatura, della quantità:
Δf/Δt = (12  25) GHz/°K
E per variazioni della corrente di iniezione:
Δf/ΔI = (1  2) GHz/mA  0,1 Å/mA
I SALTI DI MODO (MODE HOPPING)
I SALTI DI MODO (MODE HOPPING)
(ingranditi)
SPOSTAMENTO CON LA POTENZA
STABILIZZAZIONE DEI DIODI LASER
La tecnica più comune è quella di stabilizzare la
temperatura del diodo Laser a meno di qualche decimo
di °K, e di ricorrere a tecniche di modulazione della
corrente di iniezione (modulazione piccolissima per non
peggiorare la risoluzione spettroscopica) per
agganciare la riga Laser ad una riga atomica (per
assorbimento in una cella ausiliaria di riferimento) per
mezzo di una struttura di feedback con la corrente
continua di correzione ottenuta dall’uscita di un
rivelatore sincrono (Lock-in detector).
Svantaggi…
COSA È IL LOCK IN
Immaginiamo di avere un segnale di 10 nV alla frequenza
di 10 KHz. Occorre amplificarlo. Un buon amplificatore
a basso rumore avrà un rumore in ingresso di circa
5 nV/Hz1/2. Se la larghezza di banda dell’amplificatore
è di 100 KHz e il suo guadagno è 1000, allora avremo
all’uscita un segnale di 10 nV x 1000 = 10 µV e un rumore
a larga banda di 5 nV/Hz1/2 x (100 kHz)1/2 x 1000 =
= 1,6 mV. Non c’e’ speranza di misurare il segnale.
Se facciamo seguire all’amplificatore un filtro con un
Q = 100 (*) (è un filtro molto buono, a banda molto
stretta) centrato sulla frequenza del segnale (10
KHz) potremo rivelare segnali nella larghezza di
banda di 10 KHz/Q = 100 Hz. Il rumore nella
larghezza di banda del filtro sarà di
5 nV/Hz1/2 x (100Hz)1/2 x 1000 = 50 µV , e il segnale
sarà ancora di 10 µV . Il rumore in uscita è ancora
molto maggiore del segnale e non può essere misurato.
(*) Il Q (fattore di merito) di un filtro è definito
come il rapporto fra la larghezza di banda del filtro e
la frequenza di lavoro: Q = f/f.
La larghezza di banda è la risposta a – 3dB = 0,707
dall’ampiezza massima del segnale trasferito.
Ora facciamo seguire all’amplificatore un rivelatore
sensibile alla fase o lock-in. Il lock-in può rivelare un
segnale con una larghezza di banda strettissima, per
esempio di 0,01 Hz! In questo caso il rumore nella
banda passante sarà solamente di 5 nV/Hz1/2 x (0,01
Hz)1/2 x 1000 = 0,5 μV, mentre il segnale sarà ancora
di 10 μV. Il rapporto segnale/rumore è ora uguale a
20 e il segnale potrà essere misurato con precisione.
In conclusione: il lock-in è un amplificatore
sensibile alla fase e a banda strettissima, e
permette di ricavare segnali deboli immersi nel
rumore purché se ne conosca la frequenza e la
fase.
COME È FATTO IL LOCK IN
(AMPLIFICATORE IN FASE,
PHASE DETECTOR, RIVELATORE
SENSIBILE ALLA FASE, RIVELATORE
SINCRONO)
amplificatore
Regolazione fase
moltiplicatore filtro passa-basso
Il segnale amplificato Vs con fase qs viene
moltiplicato per un segnale di riferimento Vr che ha
frequenza angolare wr e possibilità di variare la
fase qr. Il segnale di uscita e’:
Vout = Vs Vr sin(ws t + qs) · sin(wr t + qr) =
= 1/2 Vs Vr cos([wr - ws]t + qs - qr) - 1/2 Vs Vr cos([wr + ws]t + qs + qr)
L’uscita del lock-in è la somma di due segnali, uno
con frequenza somma e l’altro con frequenza
differenza. Se mandiamo questo segnale ad un filtro
passa-basso, la componente a frequenza somma
viene eliminata. Che cosa resta?
Vout = 1/2 Vs Vr cos([wr - ws]t + qs – qr)
Ma se le due frequenze sono uguali, allora il segnale
di uscita sarà:
Vout = 1/2 Vs Vr cos([wr - ws]t + qs - qr) =
= (se wr = ws) = Vs Vr cos(qs – qr)
In conclusione:
Vout = Vs Vr cos(qs – qr)
che è un segnale continuo.
Questo segnale può essere filtrato con un filtro
passa basso con costante di tempo lunga quanto si
vuole.
LA STABILIZZAZ. DEL LASER PER AGGANCIO
AD UNA TRANSIZIONE ATOMICA
AGGANCIO AD UNA TRANSIZIONE ATOMICA:
L’AMPIEZZA!
Profilo della transizione
Frequenza
ottica
EFFETTO DELLA PENDENZA SULLA FASE
Profilo
R
Profilo
R
S
S
LA RISPOSTA COMPLESSIVA DEL LOCK-IN:
DERIVATA DEL SEGNALE
ESPERIMENTO: SI MODULA IL PARAMETRO
DA STABILIZZARE
Modulazione del Laser
Tens. cont. di correzione
UN ALTRO ESEMPIO: RIVELAZ EFFETTO FARADAY
(segnale piccolissimo)
IN QUESTO LABORATORIO
Si è scelta una seconda strada. Questa consiste nel
portare all’estremo la stabilità in temperatura
del diodo Laser. E stato allo scopo realizzato un
sistema di stabilizzazione della temperatura
molto sofisticato, con il quale si ottiene
correntemente una stabilità di temperatura
entro il millesimo di °K.
Vantaggio.
1. Il Laser senza la piccola modulazione della
corrente di iniezione genera una riga più stretta
2. Tutta la struttura ottica ed elettronica è molto
più semplice
SISTEMA DI CONTROLLO DELLA TEMPERATURA
Si tratta di un servomeccanismo. Il sistema spia continuamente
la tensione di errore, che è proporzionale alla differenza di
temperatura Δt fra la temperatura desiderata e la
temperatura attuale del Laser, e reagisce nel senso di cercare
di minimizzarla. L’errore sulla temperatura del Laser dipende
quindi evidentemente dalla più piccola tensione di errore che
gli amplificatori possono trattare, la quale infine dipende da
caratteristiche fondamentali degli amplificatori come la loro
tensione di rumore, il drift della tensione di uscita con la
temperatura, la stabilità del guadagno ecc. La prestazioni di un
buon sistema di stabilizzazione di temperatura dipendono
quindi dalla combinazione di molteplici scelte: componenti
elettronici adatti, montaggio razionale, termostatizzazione dei
circuiti ecc.
Il sistema di controllo della temperatura del Laser
è del tipo PID (Proporzionale, Integrale, Derivativo).
Queste operazioni vengono eseguite in tempo reale
con amplificatori operazionali.
Testa del Laser
Data sheet di un
diodo Laser da 70 mW
a 785 nm
I “MODI” DEI LASER
Modi longitudinali: sono i modi di oscillazione di un
laser lungo la lunghezza della cavità. Ciascun modo
longitudinale è a banda strettissima. Un laser a singolo
modo longitudinale è a banda strettissima. Per i diodi
Laser monomodo la larghezza di riga può essere di soli
alcuni MHz.
La differenza in frequenza fra i modi è data da:
 = c/2L
dove L è la lunghezza della cavità. Per esempio, in un
laser ad HeNe con L = 20 cm = 0,2 m la riga Laser è un
pettine di righe strettissime distanti (3 ·108 m/s) /0,4 m)
= 750 MHz che occupa una larghezza complessiva di
parecchi GHz.
Nei diodi Laser la cavità ottica è lunga solamente
intorno a 0,5 mm. La distanza in frequenza fra i
modi longitudinali risulterebbe:
 = c/2L = (3 ·108 m/s)/5 ·10-4 m = 400 GHz
che è molto più grande della larghezza del profilo
del guadagno per emissione stimolata. Quindi i
diodi Laser sono in genere monomodo.
PERCHÉ =c/2L ?
In una cavità lunga L possono alloggiare varie
frequenze di oscillazione la cui lunghezza d’onda
differisce poco l’una dall’altra. Per esempio, per due
lunghezze d’onda  e ’ contigue, corrispondenti a
M e ad M+1 onde stazionarie nella cavità, si deve
avere:
M (/2) = L , e M+1 (’/2) = L
Ma  = c/. Quindi:
c/ = 2L/M , e c/’ = 2L/(M+1)
Da cui:
  = [(M+1) – M](c/2L) = c/2L
FINE
BOBINE DI HELMOLTZ
Il campo al centro delle bobine di Helmoltz è:
B = (4/5)3/2 µ0 n i/R ,
dove i è l’intensità della corrente (che le percorre
ambedue nello stesso senso), n il numero di spire, R
il raggio e sono disposte a distanza R. Il campo
sull’asse x delle bobine è sensibilmente costante
nell’intervallo fra –R/2 e +R/2 dal centro del
sistema.