Il principio di funzionamento fondamentale di un laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) si basa sul fenomeno dell'emissione stimolata di luce. Attraverso una serie di disegni e strutture precisi, i laser generano raggi con elevata coerenza, monocromaticità e luminosità. I laser sono ampiamente utilizzati nella tecnologia moderna, anche in campi quali la comunicazione, la medicina, la produzione, la misurazione e la ricerca scientifica. La loro elevata efficienza e le precise caratteristiche di controllo 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 del laser, proposto per la prima volta da Einstein nel 1917. Questo fenomeno descrive come vengono prodotti fotoni più coerenti attraverso l'interazione tra la luce e la materia allo stato eccitato. Per comprendere meglio l'emissione stimolata, cominciamo 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 più elevato, noto come stato eccitato. Tuttavia, gli elettroni dello stato eccitato sono instabili e alla fine ritorneranno 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 nello stato eccitato incontra un fotone con un'energia corrispondente alla sua energia di transizione, il fotone può spingere 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, risultando in una luce coerente. Questo fenomeno amplifica significativamente il numero e l'energia dei fotoni ed è il meccanismo principale 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 viene mantenuta la coerenza dei fotoni e l'intensità del raggio luminoso viene continuamente aumentata.
2. Guadagno medio
ILguadagno medioè il materiale centrale del laser che determina l'amplificazione dei fotoni e l'emissione del laser. È la base fisica per l'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 ad un livello energetico più elevato da una fonte di energia esterna. Questo processo è solitamente ottenuto da sistemi di approvvigionamento energetico esterni. I meccanismi di eccitazione comuni includono:
Pompaggio elettrico: Eccita gli elettroni nel mezzo di guadagno applicando una corrente elettrica.
Pompaggio ottico: Eccitare il mezzo con una sorgente luminosa (come 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 livelli. In un semplice sistema a due livelli, gli elettroni passano dallo stato fondamentale allo stato eccitato e poi ritornano 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 mezzi di guadagno:
Guadagno di gas medio: Ad esempio, i laser elio-neon (He-Ne). I mezzi a guadagno di gas sono noti per la loro uscita stabile e la lunghezza d'onda fissa e sono ampiamente utilizzati come sorgenti luminose standard nei laboratori.
Mezzo di guadagno liquido: Ad esempio, i laser a coloranti. Le molecole di colorante hanno buone proprietà di eccitazione su diverse lunghezze d'onda, rendendole 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 nel taglio industriale, nella saldatura e nelle applicazioni mediche.
Guadagno semiconduttore medio: Ad esempio, i materiali arseniuro di gallio (GaAs) sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di comunicazione e optoelettronici come i diodi laser.
3. Cavità del risonatore
ILcavità del risonatoreè 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 attraverso l'emissione stimolata riflettendoli e amplificandoli all'interno della cavità, generando così un'emissione laser forte 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 uscita. I 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 progetto della cavità del risonatore deve soddisfare determinate condizioni, come garantire che i fotoni formino onde stazionarie all'interno della cavità. 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 efficacemente amplificate all'interno della cavità.
Fascio di uscita: Lo specchio parzialmente riflettente lascia passare una porzione del raggio luminoso amplificato, formando il raggio di uscita del laser. Questo raggio ha elevata direzionalità, coerenza e monocromaticità.
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Orario di pubblicazione: 18 settembre 2024