Il primo principio dell'azione laser, la cui fisicasi basava sulla legge della radiazione di Planck, teoricamente suffragata da Einstein nel 1917. Ha descritto l'assorbimento, la radiazione elettromagnetica spontanea e stimolata usando coefficienti di probabilità (coefficienti di Einstein).
Theodore Maiman è stato il primo a dimostrareil principio di funzionamento di un laser a rubino, basato sul pompaggio ottico con una lampada flash a rubino sintetico, che produceva una radiazione coerente pulsata con una lunghezza d'onda di 694 nm.
Nel 1960, gli scienziati iraniani Javan e Bennett hanno creato il primo generatore quantistico di gas utilizzando una miscela di gas He e Ne in un rapporto di 1:10.
Nel 1962 R.N.Hall ha dimostrato il primo laser a diodo all'arseniuro di gallio (GaAs) che emette a 850 nm. Nello stesso anno, Nick Golonyak sviluppò il primo generatore quantistico di luce visibile a semiconduttore.
Ogni sistema laser è costituito da un attivoun mezzo posto tra una coppia di specchi otticamente paralleli e altamente riflettenti, di cui uno semitrasparente, e una fonte di energia per il suo pompaggio. Il mezzo di amplificazione può essere un solido, un liquido o un gas, che hanno la proprietà di amplificare l'ampiezza dell'onda luminosa che lo attraversa per emissione stimolata con pompaggio elettrico o ottico. La sostanza è posta tra una coppia di specchi in modo tale che la luce in essi riflessa ogni volta la attraversi e, avendo raggiunto un'amplificazione significativa, penetri attraverso uno specchio semitrasparente.
Consideriamo il principio di funzionamento di un laser con mezzo attivo, i cui atomi hanno solo due livelli di energia: E eccitato2 e base E1... Se gli atomi sono eccitati da qualsiasi meccanismo di pompaggio (ottica, scarica elettrica, trasmissione di corrente o bombardamento di elettroni) allo stato E2, poi in pochi nanosecondi torneranno nella posizione principale, emettendo fotoni di energia hν = E2 - E1... Secondo la teoria di Einstein, l'emissione è prodottain due modi diversi: o è indotto da un fotone, oppure avviene spontaneamente. Nel primo caso si verifica l'emissione stimolata e nel secondo l'emissione spontanea. All'equilibrio termico, la probabilità di emissione stimolata è molto inferiore a quella di spontanea (1:1033); pertanto, la maggior parte delle sorgenti luminose ordinarie sono incoerenti e il laser è possibile in condizioni diverse dall'equilibrio termico.
Anche con un pompaggio molto forte, la popolazionei sistemi a due livelli possono essere resi uguali. Pertanto, per ottenere l'inversione della popolazione mediante metodi di pompaggio ottici o di altro tipo, sono necessari sistemi a tre o quattro livelli.
Qual è il principio di funzionamento di un laser a tre livelli? Irradiazione con luce intensa di frequenza ν02 pompa un gran numero di atomi dal livello energetico più basso E0 al mi superiore2... Transizione non radiativa di atomi con E2 dito del piede1 imposta l'inversione di popolazione tra E1 e E0, che in pratica è possibile solo quando gli atomi sono in uno stato metastabile per lungo tempo E1, e il passaggio da E2 dito del piede1 accade rapidamente. Il principio di funzionamento di un laser a tre livelli è di soddisfare queste condizioni, per cui tra E0 e E1 si ottiene l'inversione della popolazione e i fotoni vengono amplificati con energia E1-E0 radiazione indotta. Livello più ampio E2 potrebbe aumentare l'intervallo di assorbimento delle lunghezze d'onda per un pompaggio più efficiente, con conseguente aumento dell'emissione stimolata.
Il sistema a tre livelli richiede un livello molto altopotenza della pompa, poiché il livello inferiore coinvolto nella generazione è quello di base. In questo caso, affinché si verifichi l'inversione della popolazione, allo stato E1 più della metà del totale dovrebbe essere pompatoil numero di atomi. Questa è energia sprecata. La potenza della pompa può essere notevolmente ridotta se il livello di generazione inferiore non è di base, il che richiede almeno un sistema a quattro livelli.
A seconda della natura del principio attivo,i laser si dividono in tre categorie principali, ovvero solido, liquido e gas. Dal 1958, quando il laser è stato osservato per la prima volta in un cristallo di rubino, scienziati e ricercatori hanno studiato un'ampia varietà di materiali in ciascuna categoria.
Il principio di funzionamento si basa sull'uso di un mezzo attivo, che si forma aggiungendo un metallo di transizione (Ti+3, Cr+3, V2, Co2, Ni2, Fe2, ecc.), ioni di terre rare (Ce+3, Pre+3, Ns+3, Pm+3, Smi2, Unione Europea+ 2, + 3, Tb+3, Dy+3, Ho+3, Er+3, Yb+3, ecc.), e attinidi come U+3... I livelli energetici degli ioni sono responsabili solo digenerazione. Le proprietà fisiche del materiale di base, come la conduttività termica e l'espansione termica, sono essenziali per prestazioni laser efficienti. La disposizione degli atomi del reticolo attorno allo ione drogato ne modifica i livelli energetici. Diverse lunghezze d'onda laser nel mezzo attivo si ottengono drogando materiali diversi con lo stesso ione.
Un esempio di laser a stato solido è un quantoun generatore in cui l'olmio sostituisce un atomo della sostanza di base del reticolo cristallino. Ho: YAG è uno dei materiali di migliore generazione. Il principio di funzionamento di un laser ad olmio è che il granato di ittrio e alluminio è drogato con ioni di olmio, pompato otticamente da una lampada flash ed emette a una lunghezza d'onda di 2097 nm nell'intervallo dell'infrarosso, che è ben assorbito dai tessuti. Questo laser viene utilizzato per interventi sulle articolazioni, nelle cure odontoiatriche, per l'evaporazione delle cellule cancerose, dei reni e dei calcoli biliari.
I laser per pozzi quantistici sono economici, permettiproduzione di massa e facile da scalare. Il principio di funzionamento di un laser a semiconduttore si basa sull'uso di un diodo a giunzione pn, che produce luce di una lunghezza d'onda specifica ricombinando il vettore con una polarizzazione positiva, simile ai LED. I LED emettono spontaneamente, mentre i diodi laser emettono forzatamente. Per soddisfare la condizione di inversione della popolazione, la corrente di esercizio deve superare il valore di soglia. Il mezzo attivo in un diodo a semiconduttore ha la forma di una regione di collegamento di due strati bidimensionali.
Il principio di funzionamento di questo tipo di laser è tale chenon è necessario alcuno specchio esterno per mantenere le vibrazioni. A tale scopo è sufficiente la riflettività creata dall'indice di rifrazione degli strati e dalla riflessione interna del mezzo attivo. Le superfici terminali dei diodi sono scheggiate, il che assicura che le superfici riflettenti siano parallele.
Un composto formato da materiali semiconduttori dello stesso tipo è chiamato omogiunzione, e uno creato collegando due diversi è chiamato eterogiunzione.
I semiconduttori di tipo p e n con un'elevata densità di portatori formano una giunzione pn con uno strato di esaurimento molto sottile (≈1 μm).
Il principio di funzionamento e utilizzo di questo lasertype consente di creare dispositivi di quasi tutte le potenze (da milliwatt a megawatt) e lunghezze d'onda (da UV a IR) e consente di lavorare in modalità pulsata e continua. In base alla natura dei mezzi attivi, si distinguono tre tipi di generatori quantistici di gas, ovvero atomici, ionici e molecolari.
La maggior parte dei laser a gas viene pompatascarica elettrica. Gli elettroni nel tubo a scarica sono accelerati dal campo elettrico tra gli elettrodi. Si scontrano con atomi, ioni o molecole del mezzo attivo e inducono una transizione a livelli energetici più elevati per raggiungere lo stato di inversione di popolazione e emissione stimolata.
Il principio di funzionamento del laser si basa sul fatto che, inA differenza di atomi e ioni isolati, le molecole nei generatori quantistici atomici e ionici hanno ampie bande energetiche di livelli energetici discreti. In questo caso, ogni livello di energia elettronica ha un gran numero di livelli vibrazionali e quelli, a loro volta, ne hanno diversi di rotazione.
Energia tra energia elettronicalivelli è nelle regioni UV e visibile dello spettro, mentre tra i livelli vibrazionali-rotazionali - nelle regioni dell'infrarosso lontano e vicino. Pertanto, la maggior parte dei generatori quantistici molecolari opera nelle regioni dell'infrarosso lontano o vicino.
Gli eccimeri sono molecole comeArF, KrF, XeCl, che hanno uno stato fondamentale separato e sono stabili al primo livello. Il principio del laser è il seguente. Di norma, il numero di molecole nello stato fondamentale è piccolo, pertanto non è possibile il pompaggio diretto dallo stato fondamentale. Le molecole si formano in un primo stato elettronico eccitato combinando alogenuri ad alta energia con gas inerti. L'inversione della popolazione è facilmente ottenibile perché il numero di molecole alla linea di base è troppo piccolo rispetto a quello eccitato. Il principio di funzionamento di un laser, in breve, consiste nel passaggio da uno stato elettronico eccitato legato ad uno stato fondamentale dissociativo. La popolazione allo stato fondamentale rimane sempre a un livello basso, perché le molecole a questo punto si dissociano in atomi.
Il dispositivo e il principio di funzionamento dei laser è che il tubo di scarica è riempito con una miscela di un alogenuro (F2) e gas delle terre rare (Ar). Gli elettroni in esso contenuti si dissociano e ionizzano le molecole di alogenuro e creano ioni carichi negativamente. Ar ioni positivi+ e negativo F- reagiscono e producono molecole di ArF nel primostato legato eccitato con la loro successiva transizione a uno stato base repulsivo e generazione di radiazione coerente. Un laser ad eccimeri, il cui principio di funzionamento e applicazione stiamo ora considerando, può essere utilizzato per pompare un mezzo attivo a base di coloranti.
Rispetto ai solidi, liquidisono più omogenei e hanno una maggiore densità di atomi attivi rispetto ai gas. Inoltre, non sono difficili da fabbricare, consentono una facile dissipazione del calore e possono essere facilmente sostituiti. Il principio di funzionamento del laser è quello di utilizzare come mezzo attivo coloranti organici, come DCM (4-dicianometilene-2-metil-6-p-dimetilamminostiril-4H-pirano), rodamina, stirile, LDS, cumarina, stilbene, ecc.. disciolto in un opportuno solvente. Una soluzione di molecole di colorante è eccitata da radiazioni la cui lunghezza d'onda ha un buon coefficiente di assorbimento. Il principio di funzionamento di un laser, insomma, è quello di generare ad una lunghezza d'onda maggiore, detta fluorescenza. La differenza tra energia assorbita e fotoni emessi viene sfruttata dalle transizioni energetiche non radiative e riscalda il sistema.
Larghezza di banda di fluorescenza più ampia del liquidoi generatori quantistici hanno una caratteristica unica: la sintonizzazione della lunghezza d'onda. Il principio di funzionamento e l'uso di questo tipo di laser come sorgente di luce sintonizzabile e coerente sta diventando sempre più importante nella spettroscopia, nell'olografia e nelle applicazioni biomediche.
Recentemente, i generatori quantistici di coloranti hanno iniziato ad essere utilizzati per la separazione degli isotopi. In questo caso, il laser ne eccita selettivamente uno, spingendolo ad entrare in una reazione chimica.
