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LASER

LASER. L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation. EMISSIONE. Spontanea Stimolata. EMISSIONE STIMOLATA. I fotoni prodotti per emissione stimolata hanno proprietà uniche: Il fotone emesso ha la stessa λ del fotone incidente

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Presentation Transcript

  1. LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

  2. EMISSIONE Spontanea Stimolata

  3. EMISSIONE STIMOLATA

  4. I fotoni prodotti per emissione stimolata hanno proprietà uniche: Il fotone emesso ha la stessa λ del fotone incidente la stessa direzione del fotone incidente la stessa fase del fotone incidente

  5. MEZZO ATTIVO • Equilibrio termico: più atomi nello stato fondamentale • Atomi sono pompati in stati eccitati per creare inversione di popolazione: più atomi nello stato eccitato Mezzo attivo • M* + hν→ M + 2 hν un fotone emesso stimola un altro atomo ad emettere: amplificazione

  6. Il mezzo attivo determina • La lunghezza d’onda del laser • Il metodo di pompaggio • L’ordine di grandezza dell’intensità • L’efficienza

  7. CAVITA’ LASER

  8. CAVITA’ LASER • Il mezzo attivo è confinato in una cavità, regione chiusa tra 2 specchi • Le sole lunghezze d’onda che possono risuonare tra i 2 specchi devono soddisfare: • Altrimenti si ha interferenza distruttiva • Le onde elettromagnetiche generate dal laser sono tutte in fase (coerenti) perché la radiazione per emissione stimolata è esattamente in fase con i fotoni che la stimolano Lunghezza della cavità

  9. MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI TEM: Transverse Electric and Magnetic field

  10. MODI LONGITUDINALI

  11. MODI LONGITUDINALI E TRASVERSALI

  12. Modi della cavità Separazione tra i modi L = 50 cm  = 300 MHz = 0.01 cm-1

  13. COMPONENTI ESSENZIALI DI UN LASER MEZZI DI ECCITAZIONE (pompaggio ottico, elettrico, chimico, …) MEZZO ATTIVO SPECCHIO RIFLETTENTE 100% SPECCHIO SEMIRIFLETTENTE CAVITA’

  14. LASER A 3 LIVELLI • POMPAGGIO : la transizione IX avviene in seguito ad un flash intenso di luce o ad una scarica elettrica • La transizione AI avviene rapidamente in maniera non-radiativa • XA : è l’azione del laser

  15. LASER A 4 LIVELLI VELOCE STATO METASTABILE POMPAGGIO EFFICIENTE RILASSAMENTO VELOCE

  16. SORGENTI TRADIZIONALI E SORGENTI LASER

  17. DIREZIONALITA’ Ampiezza relativa Spettroscopia : lunghi cammini ottici Chimica: trattamenti localizzati di superfici

  18. Misura di distanze mediante laser Osservatorio McDonald Apollo 11 D(terra-luna) ~ 385000 km, accuratezza: ~ 3 cm!

  19. MONOCROMATICITA’ Spettroscopia : risoluzione elevata - Raman Chimica: reazioni specifiche di un legame

  20. MONOCROMATICITA’ n = n c / 2 L’ n’ = n’ c / 2 Le

  21. BRILLANZA Spettroscopia : ottica non lineare - Raman Chimica: fotochimica

  22. BRILLANZA Radiazione solare sulla terra 0.1 W/cm2 Lampadina 1 Puntatore laser 100 Laser continuo focalizzato 109 Laser pulsato 1021

  23. RADIAZIONE INCOERENTE ORDINE INTERNO ASSENTE FREQUENZE E FASI DIVERSE

  24. RADIAZIONE COERENTE ORDINE INTERNO ONDE CON FREQUENZE E FASI IDENTICHE

  25. COERENZA TEMPORALE COERENZA SPAZIALE

  26. COERENZA • La lunghezza di coerenza da sorgenti termiche va da pochi mm a decine di cm. • La lunghezza di coerenza di un laser può arrivare ad alcuni km.

  27. COERENZA Spettroscopia : interferenza tra fasci separati - CARS

  28. LASER • A ONDA CONTINUA • PULSATI

  29. LASER PULSATI

  30. LASER PULSATI

  31. COMMUTAZIONE Q Polarizzatore Modulazione Polarizzatore di voltaggio CELLA DI POCKELL

  32. Raggio ordinario Cristallo birifrangente Vista di fronte Raggio straordinario MATERIALI BIRIFRANGENTI

  33. Cella di Pockell Polarizzatore Specchio

  34. CELLA DI POCKEL Radiazione polarizzata piana Radiazione polarizzata circolarmente 1 Propagazione verso lo specchio Il fascio polarizzato linearmente si trasforma in fascio polarizzato circolarmente Cella di Pockel

  35. 2 Fascio riflesso La polarizzazione circolare ha invertito il proprio senso di rotazione. 3 Il fascio polarizzato circolarmentesi trasforma in fascio polarizzato linearmente, ma in un piano ortogonale rispetto al piano iniziale Polarizzata circolarmente dopo riflessione Polarizzata piana perpendicolarmente al piano originale

  36. VINCOLO IN FASE

  37. VINCOLO IN FASE

  38. Impulso ultrabreve di alta intensità Impulso focalizzato EFFETTO KERR Mezzo Kerr (n = n0 + n2I) Fascio di bassa intensità

  39. Laser pulsato mediante vincolo in fase Barriera CW Potenza Perdite elevate Tempo c/2l Pulsato Potenza Tempo Perdite basse

  40. EFFETTO KERR

  41. IMPULSI BREVI Spettroscopia : dinamica di nuclei ed elettroni

  42. Radiazione LASER : Proprietà a)direzionalità lunghi cammini ottici – Raman non lineare b)monocromaticità alta risoluzione - Raman c)brillanza processi a molti fotoni - Raman d)coerenza spaziale e)coerenza temporale interferenza tra fasci separati - CARS f)impulsi ultra-brevi fenomeni su scala di femto ed attosecondo

  43. 1kilowatt = 103W 1megawatt = 106W 1gigawatt = 109W 1terawatt = 109W 1petawatt = 1012W 1watt Potenza delle sorgenti di energia e consumi di energia Potenza di impulsi brevi flash bomba lampo Laser di potenza lampadina Centrale nucleare mondo auto Cucina elettrica Piccola citta‘ Germania sole Potenza in continuo

  44. CRITERI DI CLASSIFICAZIONE DEI LASER Lo stato della materia del mezzo attivo: solido, liquido, gas, plasma Il campo delle lunghezze d’onda: visibile, IR, … Il metodo di pompaggio: ottico, elettrico, chimico, … Le caratteristiche della radiazione: continua, pulsata Il numero di livelli energetici che partecipano al processo laser: 2, 3, 4

  45. Laser – Applicazioni • Commercio Compact disk, stampanti laser, fotocopiatori, lettori di codici a barre, comunicazioni ottiche, ologrammi, puntatori laser • Industria Misure di distanze, allineamento, lavorazione di materiali (taglio, perforazione, saldatura, ricottura, fotolitografia, etc.) • Medicina Chirurgia (occhi, dermatologia, generale), diagnostica, oftalmologia, oncologia • Ricerca Spettroscopia, fusione nucleare, raffreddamento di atomi, interferometria, fotochimica, studio di processi veloci • Militari Navigazione, simulazione, guida di armi

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