Il principio di funzionamento di base di un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) si basa sul fenomeno dell'emissione stimolata di luce. Attraverso una serie di progetti e strutture precise, i laser generano fasci con elevata coerenza, monocromaticità e luminosità. I laser sono ampiamente utilizzati nella tecnologia moderna, in settori quali la comunicazione, la medicina, la produzione, la misurazione e la ricerca scientifica. La loro elevata efficienza e le caratteristiche di controllo preciso li rendono il componente principale di molte tecnologie. Di seguito è riportata una spiegazione dettagliata dei principi di funzionamento dei laser e dei meccanismi dei diversi tipi di laser.
1. Emissione stimolata
Emissione stimolataÈ il principio fondamentale alla base della generazione laser, proposto per la prima volta da Einstein nel 1917. Questo fenomeno descrive come fotoni più coerenti vengono prodotti attraverso l'interazione tra luce e materia in stato eccitato. Per comprendere meglio l'emissione stimolata, iniziamo con l'emissione spontanea:
Emissione spontanea: Negli atomi, nelle molecole o in altre particelle microscopiche, gli elettroni possono assorbire energia esterna (come energia elettrica o ottica) e passare a un livello energetico superiore, noto come stato eccitato. Tuttavia, gli elettroni nello stato eccitato sono instabili e alla fine torneranno a un livello energetico inferiore, noto come stato fondamentale, dopo un breve periodo. Durante questo processo, l'elettrone rilascia un fotone, che è un'emissione spontanea. Tali fotoni sono casuali in termini di frequenza, fase e direzione e quindi mancano di coerenza.
Emissione stimolata: La chiave dell'emissione stimolata è che quando un elettrone in stato eccitato incontra un fotone con un'energia pari alla sua energia di transizione, il fotone può indurre l'elettrone a tornare allo stato fondamentale rilasciando un nuovo fotone. Il nuovo fotone è identico a quello originale in termini di frequenza, fase e direzione di propagazione, dando origine a luce coerente. Questo fenomeno amplifica significativamente il numero e l'energia dei fotoni ed è il meccanismo centrale dei laser.
Effetto di feedback positivo dell'emissione stimolata: Nella progettazione dei laser, il processo di emissione stimolata viene ripetuto più volte e questo effetto di feedback positivo può aumentare esponenzialmente il numero di fotoni. Con l'aiuto di una cavità risonante, la coerenza dei fotoni viene mantenuta e l'intensità del fascio luminoso aumenta costantemente.
2. Guadagno medio
ILguadagno medioÈ il materiale principale del laser che determina l'amplificazione dei fotoni e l'emissione laser. È la base fisica dell'emissione stimolata e le sue proprietà determinano la frequenza, la lunghezza d'onda e la potenza di uscita del laser. Il tipo e le caratteristiche del mezzo di guadagno influenzano direttamente l'applicazione e le prestazioni del laser.
Meccanismo di eccitazione: Gli elettroni nel mezzo di guadagno devono essere eccitati a un livello energetico più elevato da una fonte di energia esterna. Questo processo è solitamente ottenuto tramite sistemi di fornitura di energia esterni. I meccanismi di eccitazione comuni includono:
Pompaggio elettrico: Eccitazione degli elettroni nel mezzo di guadagno mediante l'applicazione di una corrente elettrica.
Pompaggio ottico: Eccitare il mezzo con una fonte luminosa (ad esempio una lampada flash o un altro laser).
Sistema dei livelli energetici: Gli elettroni nel mezzo di guadagno sono tipicamente distribuiti in livelli energetici specifici. I più comuni sonosistemi a due livelliEsistemi a quattro livelliIn un semplice sistema a due livelli, gli elettroni passano dallo stato fondamentale allo stato eccitato e poi tornano allo stato fondamentale attraverso l'emissione stimolata. In un sistema a quattro livelli, gli elettroni subiscono transizioni più complesse tra diversi livelli energetici, spesso con conseguente maggiore efficienza.
Tipi di Gain Media:
Guadagno di gas medio: Ad esempio, i laser a elio-neon (He-Ne). I laser a guadagno di gas sono noti per la loro potenza di uscita stabile e la lunghezza d'onda fissa, e sono ampiamente utilizzati come sorgenti luminose standard nei laboratori.
Guadagno liquido medio: Ad esempio, i laser a colorante. Le molecole di colorante hanno buone proprietà di eccitazione a diverse lunghezze d'onda, il che le rende ideali per i laser sintonizzabili.
Guadagno solido medio: Ad esempio, i laser Nd (granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio). Questi laser sono altamente efficienti e potenti e sono ampiamente utilizzati in applicazioni industriali di taglio, saldatura e medicali.
Guadagno medio del semiconduttore:Ad esempio, i materiali in arseniuro di gallio (GaAs) sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di comunicazione e optoelettronici come i diodi laser.
3. Cavità risonante
ILcavità risonanteÈ un componente strutturale del laser utilizzato per il feedback e l'amplificazione. La sua funzione principale è quella di aumentare il numero di fotoni prodotti tramite emissione stimolata, riflettendoli e amplificandoli all'interno della cavità, generando così un'emissione laser potente e focalizzata.
Struttura della cavità del risonatore: Di solito è costituito da due specchi paralleli. Uno è uno specchio completamente riflettente, noto comespecchietto retrovisore, e l'altro è uno specchio parzialmente riflettente, noto comespecchio di uscitaI fotoni si riflettono avanti e indietro all'interno della cavità e vengono amplificati attraverso l'interazione con il mezzo di guadagno.
Condizione di risonanza: Il design della cavità del risonatore deve soddisfare determinate condizioni, come garantire che i fotoni formino onde stazionarie al suo interno. Ciò richiede che la lunghezza della cavità sia un multiplo della lunghezza d'onda del laser. Solo le onde luminose che soddisfano queste condizioni possono essere amplificate efficacemente all'interno della cavità.
Fascio di uscita: Lo specchio parzialmente riflettente consente il passaggio di una parte del fascio luminoso amplificato, formando il fascio di uscita del laser. Questo fascio presenta elevata direzionalità, coerenza e monocromaticità..
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Data di pubblicazione: 18 settembre 2024