Capitolo 3 – Laser a stato solido
3.1 Il laser a rubino
Il 16 maggio 1960, T. Maiman fece funzionare il primo laser della storia: il laser a rubino
(Figura 3.1.1). Si potrebbe pensare che il laser a rubino non venga più utilizzato, esso invece trova
ancora impiego ad esempio in dermatologia, nelle prove olografiche non distruttive, ecc..
Il rubino è un cristallo di allumina (sesquiossido di alluminio: Al2O3), drogato con circa lo
0.05% di ioni cromo trivalente Cr2O3, che gli conferiscono il caratteristico color rosso. L'alluminio
e l'ossigeno sono otticamente inerti, mentre gli ioni Cr3+ sono i centri otticamente attivi.
Il laser a rubino è un sistema a tre livelli ed è meno efficiente di uno a quattro, come ad
esempio il laser al Neodimio, che lo ha rimpiazzato nella maggior parte delle applicazioni. Il
materiale attivo nel laser a rubino è una barretta di zaffiro sintetico drogato con circa lo 0.01%-0.5%
di cromo. Questo drogaggio corrisponde a circa 1019 atomi di cromo per centimetro cubo. La luce
emessa dagli atomi di cromo colora di rosso o rosa il cristallo. Il materiale è facile da trovare e le
barrette di 3-25 mm di diametro sono disponibili a partire da lunghezze di 20 cm. Il rubino resiste
bene al danneggiamento ottico e conduce il calore meglio del vetro. La struttura dei livelli
energetici nel rubino è mostrata nella Figura 3.1.2. La luce visibile in una delle due bande di
pompaggio porta gli ioni cromo3+ in una delle due bande eccitate da cui decadono in circa 100 ns a
due livelli metastabili con tempo di vita medio a temperatura ambiente di 3 ms. L'emissione è
permessa da entrambi i livelli, ma la transizione dal livello E è predominante. Il livello
fondamentale è il livello inferiore della transizione laser e questo vuol dire che è necessaria una
pompa ad alta potenza per portare la metà degli atomi più uno ai livelli più alti di energia e quindi
avere un'inversione di popolazione. Questo innalza la soglia del laser e comporta una bassa
efficienza.
Figura 3.1.1 disegno del laser di Maiman
L'eccesso di energia rimane nel laser sotto forma di calore limitando il ritmo di ripetizione a pochi
Hertz eccetto che per barre molto piccole, per cui è necessario un sistema di refrigerazione. Il tempo
di vita di 3ms del livello energetico più alto da al laser a rubino la capacità di immagazzinare molta
più energia di quella immagazzinata dal laser al Neodimio con una barretta delle stesse dimensioni
e genera impulsi di energia più elevata. Il basso ciclo di lavoro, però, è un serio limite alla potenza
media del laser.
Struttura interna
La struttura del laser moderno è simile al laser progettato da Maiman ma con qualche differenza:
Maiman aveva argentato le estremità della barretta di rubino, mentre nei laser moderni vengono
usati degli specchi separati, uno totalmente riflettente e uno parzialmente trasparente.
Gli specchi possono essere piatti o concavi per compensare i fenomeni di lensing termico.
Il laser a rubino funziona meglio nella configurazione a oscillatore amplificato che produce una
pulsazione ad alta energia con una migliore qualità del raggio.
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Maiman aveva posto la sua barretta di rubino in una lampada elicoidale e poi aveva messo il
tutto in un cilindro metallico, mentre i laser moderni sono pompati da lampade lineari poste in
cavità ellittiche.
Per la refrigerazione viene utilizzata dell'acqua che scorre o attraverso o nella cavità oppure è
possibile il raffreddamento ad aria per sistemi di bassa potenza media.
4
F1 Blue band
25’000
bande di pompaggio
20’000
transizioni non radianti
F2 Green band
luce di pompaggio
550 nm
420 nm
transizione laser 694,3 nm
stato fondamentale
15’000
10’000
2
Pump
2A
E
Energy [cm-1]
livelli metastabili
4
E
Laser
694.3 nm
5’000
4
0
A2
Figura 3.1.2. Livelli energetici nel laser a rubino
La vita media del livello laser superiore è molto lunga (τ = 3 ms at 300 k) e un pompaggio a lampada flash può
facilmente accumulare popolazione in tale livello.
Caratteristiche del fascio
L'oscillatore laser a rubino può produrre impulsi di qualche millisecondo da 50 a 100 Joule.
Nella configurazione amplificata può emettere più di 100 Joule. La durata degli impulsi dipende
dalla lunghezza degli impulsi della lampada di pompaggio e va da frazioni a poche unità di
millisecondo. La potenza media dell'impulso non supera le decine di KW. Il basso tasso di
ripetizione limita la potenza media di un oscillatore a barretta singola attorno ai 100 W.
L'instabilità nei processi di emissione e di assorbimento causa delle brusche oscillazioni
negli impulsi di lunga durata cosicché la potenza istantanea varia considerevolmente. Per ovviare a
ciò si usa il Q-switching. Questo processo limita l'energia degli impulsi in un singolo oscillatore a
qualche Joule, comprimendo però la durata dell'impulso a 10-35 ns. In questo modo si possono
raggiungere picchi di potenza di 100 MW. Per oscillatori amplificati si possono avere picchi di 1
GW ed energie di più di 10 Joule per impulso.
Questa tecnica viene usata in medicina per distruggere pigmenti nei tatuaggi e tessuti
anormali, e in olografia per misurare deformazioni e cambiamenti di oggetti in intervalli di tempo
molto brevi.
Il laser a rubino può essere unimodale, ma può anche essere usato in regime di
agganciamento di fase dei modi per produrre treni di 20-30 impulsi con durata di 3-4 ps ed energie
di 1mJ.
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3.2 Il Laser a Nd:YAG
Si tratta di uno dei più diffusi laser a stato solido. Il mezzo attivo è costituito da un cristallo
di Y3Al5O12, detto comunemente YAG, drogato con Neodimio (Nd3+ che sostituisce Y3+).
Costituisce un sistema a 4 livelli che emette a 1.06 μm (vicino infrarosso) con pompaggio ottico
tramite lampada a Krypton. Il cristallo ha una ottima conduttività termica, il che gli permette di
operare senza problemi in continua o ad alte frequenze di ripetizione. Esiste una variante più
economica di questo laser, che è il Nd:vetro, dove i centri attivi di neodimio sono ospitati invece
che in un cristallo di YAG in un vetro. E' più economico, ma ha una peggiore conducibilità termica,
per cui viene utilizzato solo in regime impulsato a basse frequenze di ripetizione.
La figura 3.2.1 mostra lo schema semplificato dei livelli energetici del Nd+3:YAG e le transizioni
laser.
4
n2= 4F5/2
11509 cm
F3/2
11425
-1
1064 nm
809 nm
2519
2461
n1= 4I11/2
2152
2114
2026
2002
n0= 4I9/2
Figura 3.2.1. Schema semplificato dei livelli energetici del Nd+3:YAG (sinistra) e la struttura dei
sottolivelli Stark (destra)
Il cristallo di Nd:YAG è materiale ideale per un laser a 4 livelli. La vita media del livello laser
superiore è relativamente lunga (250 μs) e la transizione laser a 1.064 μm termina a circa 2000 cm-1
al disopra dello stato fondamentale, per cui la popolazione termica del livello laser inferiore a 300 K
è inferiore a 10-4 e può essere trascurata. Il pompaggio a 809 nm può essere efficacemente ottenuto
con un laser a diodo AlGaAs di alta potenza.
Figura 3.2.2. Schema della cavità di pompaggio di un laser a Nd:YAG
con riflettore a sezione ellittica.
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Figura 3.2.3 Confronto degli schemi di pompaggio del laser Nd:YAG.
Lampada flash e laser a diodo semiconduttore.
3.3 Il laser a Olmio e a Erbio
The number of rare earth lasers is very large with thirteen potential ions of the lanthanides and
Uranium from the actinides that can be incorporated in numerous crystal and glass hosts. Most of
these rare earths show several laser transitions. Due to the good concentration of pump light in a
guiding structure especially fibre lasers can be operated with low laser thresholds.
Ci limiteremo a descrivere i due laser di maggior interesse applicativo, laser a olmio e erbio.
3
15’000
F3
-1
Energy [cm ]
3H
4
10’000
3H
3
5’000
5
F4
5I
7
Laser
3H
6
3+
Tm
5I
Figura 3.3.1:Energy level scheme of
Ho3+:YAG co-doped with Tm3+. Pumping
with a wavelength of about 785 nm leads
to excitation of the Tm3+ 3H4 level. Excited
Tm3+ 3H4 and ground state 3H6 ions can
exchange energy leading to a two fold
population of 3F4. From there a second
energy transfer excites the Ho3+ upper laser
level.
8
3+
Ho
3.3.1 Il laser a olmio
The wavelength of 2 μm can be emitted from the 5I7 → 5I8 transition of Ho3+. The 5I7 level lies
approximately 5000 cm-1 above the 5I8 ground state. Direct excitation can be performed with laser
diodes emitting 2 μm radiation.
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Powerful AlGaAs laser diodes emitting in the range of about 810 nm or standard InGaAs
diodes emitting at 900 to 1100 nm are, however more easily available. It is therefore interesting to
evaluate the possibilities to excite Ho3+ by sensitisation of the crystal with other elements that
absorb the pump light and transfer the energy into the upper Ho3+ laser level. The excitation of Ho3+
must be rather strong because the gain must overcome the unavoidable resonant absorption of the
quasi three level Ho3+ system. The most common sensitizer for Ho3+ doped crystals is Tm3+. The
great advantage of sensitisation with Tm3+ is the quantum efficiency of 2 that leads to a theoretical
maximum achievable efficiency of 75 % under pumping at 785 nm and lasing at 2.1 μm.
Lasers emitting in the 2 μm eye-safe spectral region are of interest due to their absorption
properties in water, atmospheric water vapour and trace gases such as CO2. Applications range from
LIDAR to medicine. Medical applications involve coagulative cutting and tissue welding.
3.3.2 Il Laser a erbio
Erbium lasers are used with different laser wavelengths. The energy level scheme is shown in
Figura 3.1.4: The transition from 4I13/2 to 4I15/2 at a wavelength of 1.56 μm is used for fibre
communication with minimum fibre losses in the "third window". The transition from 4I11/2 to 4I13/2
occurs at 2.94 μm in Er:YAG. This wavelength corresponds with the maximum absorption of water
in the infrared region. The Er:YAG laser therefore finds many applications in medicine, especially
as a surgical knife for cutting of tissue.
The excitation of Er:YAG or Er:YAlO3 is performed with conventional flash lamps. Diodelaser pumping has been demonstrated with Er:YLF, Er:BYF, Er:YSGG and Er:ZBLAN.
W22
4
2
F7/2
H11/2
4
4
S3/2
F9/2
ESA
4
W11
I9/2
4
I11/2
L1
F5
4
I13/2
P
4
L2
I15/2
Figura 3.3.2:Energy level scheme of Er3+:YAG
3.4 I laser vibronici
Nei cristalli drogati con gli ioni dei metalli di transizione si verificano forti interazioni tra gli
stati elettronici e le vibrazioni reticolari (fononi). Queste interazioni elettronico-vribrazionali
(vibroniche) producono un notevole allargamento omogeneo dei livelli elettronici, rendendoli bande
continue. Similmente ai laser a coloranti, i laser vibronici offrono emissione laser a lunghezza
d'onda accordabile e un'ampiezza di banda tale da poter generare impulsi ultra-brevi.
Il primo laser vibronico commerciale è stato quello ad Alessandrite drogata al Cromo
(Cr:BeAl2O4), la cui lunghezza d'onda può essere selezionata nell'intervallo di accordabilità da 701
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a 826 nm. È stato seguito dal laser a Zaffiro drogato al Titanio (Ti:Al2O3), il cui notevole intervallo
di accordabilità va da 660 a 1180 nm.
I laser della seguente tabella sono tutti a quattro livelli e presentano carattere vibronico.
MATERIALE
LASER
Alessandrite
Alessandrite
Ce: YLF
Co: MgF2
Cr: LICAF
Cr: LISAF
Cr: Smeraldo
Cr: Forsterite
Thulium: YAG
Ti: Zaffiro
SORGENTE
POMPAGGIO
lampade ad arco
lampade flash
laser a eccimeri KrF
1320-Nd:YAG
laser o lampade
laser o lampade
laser
laser
laser
laser
MODO DI
FUNZIONAMENTO
CW
impulsato
impulsato
impulsato
impulsato o CW
impulsato o CW
impulsato o CW
impulsato o CW
CW
impulsato o CW
INTERVALLO DI
ACCORDABILITÀ
(NM)
730 - 810
701 - 858
309 - 325
1750 - 2500
720 - 840
760 - 920
720 - 842
1167 - 1345
1870 - 2160
660 - 1180
Ti: Zaffiro (Ti: Al2O3)
Il cristallo è drogato allo 0.1% con Titanio, il cui ione trivalente sostituisce quello dello
Alluminio. L'effetto laser è stato scoperto nel 1982, ma i primi dispositivi sono stati resi
commerciali solo nel 1988. Lavorano nel vicino infrarosso e tendono a sostituire i laser a coloranti
rispetto ai quali mostrano maggiore stabilità, inferiore rumore e ampiezza di riga di circa 1kHz.
Alessandrite (Cr: BeAL2O4)
Il cristallo è drogato con lo ione Cr3+ allo 0.01-0.1%. Lavora su una transizione vibronica nel
vicino infrarosso. C'è un picco di assorbimento a 590 nm, uno a 680 nm e uno a 640 nm, sfruttabili
per pompaggio rispettivamente con lampade flash, laser a semiconduttore e a diodi. L'intervallo di
accordabilità a temperatura ambiente va da 701 a 829 nm e si estende fino a 858 nm a 360°C.
Hanno generalmente funzionamento impulsato ad alta potenza.
Co: MgF2
A temperatura ambiente è accordabile nell'esclusiva gamma da 1.75 a 2.5 μm. È stato
realizzato per la prima volta nel 1964 e inizialmente richiedeva raffreddamento criogenico e
pompaggio a lampade flash. Con la scoperta della banda 1.2 - 1.4 μm di forte assorbimento è stato
possibile sostituire le lampade con i laser 1.32 μm Nd:YAG, a temperatura ambiente. I modelli
commerciali hanno funzionamento impulsato, non richiedono sistemi di raffreddamento e
forniscono potenze di uscita dell'ordine del mW.
Forsterite (Mg2SiO4)
L'elemento drogante è il Cromo, presente nel cristallo in forma trivalente e tetravalente. La
specie attiva è insolitamente il Cr4+, normalmente in quantità di 3.6*1018 cm-3. Ha tre ampie bande
di assorbimento utilizzate mediante pompaggio con laser a modalità continua per il funzionamento
continuo, o per pompaggio con lampade flash per il funzionamento impulsato. In questo ultimo caso
si sono raggiunti impulsi di 60 fs con potenze di 85 mW.
ALTRI OSPITI DEL CROMO
Esistono circa altri 20 ospiti del Cromo. Citiamo ad esempio lo Smeraldo (Be3Al2(SiO3)6)
che ha un intervallo di accordabilità tra 729 e 842 nm; e i cristalli LiSAF (LiSrAlF6) e LiCAF
(LiCaAlF6) che hanno intervalli di accordabilità rispettivamente di 720 - 840 nm e 780 - 920 nm.
Per questi ultimi due il pompaggio avviene tramite lampade flash, laser a diodi e al Kripton.
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