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fisica:strumenti:laser

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LAB2GO Scienza

Laser

//**Descrizione**//

ll laser (acronimo dell'inglese «light amplification by stimulated emission of radiation», in italiano “amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione”) è un dispositivo in grado di emettere un fascio di luce coerente.[1] Il termine si riferisce oltre che al dispositivo anche al fenomeno fisico dell'amplificazione per emissione stimolata di un'onda elettromagnetica. La coerenza spaziale e temporale del raggio laser è correlata alle sue principali proprietà: alla coerenza temporale, cioè al fatto che le onde conservano la stessa fase nel tempo, è correlata la proprietà dei laser di emettere fasci di radiazione in un intervallo spettrale molto stretto. È considerata un'onda monocromatica anche se particolari dispositivi laser possono emettere contemporaneamente un numero discreto di fasci a diverse lunghezze d'onda alla coerenza spaziale, cioè al fatto che la differenza di fase è costante fra punti distinti in una sezione trasversa del fascio, è correlata la possibilità di avere fasci unidirezionali e collimati, cioè paralleli anche su lunghi percorsi. I fasci laser sono focalizzabili su aree molto piccole, anche con dimensioni dell'ordine del micrometro, impossibili con radiazioni.L'emissione unidirezionale e coerente comporta la possibilità di raggiungere una irradianza o densità di potenza elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali.

Queste proprietà sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati: l'elevatissima irradianza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli, ed un possibile utilizzo anche come arma; la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell'ordine del micrometro (10−6 m); sempre la monocromaticità li rende adatti a trasportare informazioni nelle fibre ottiche o nello spazio libero anche per lunghe distanze come avviene nelle comunicazioni ottiche. Inoltre impulsi laser ultrabrevi, dell'ordine dei femtosecondi, o con intensità elevatissima, dell'ordine dei 1018 W/cm2 sono impiegati nelle più avanzate ricerche scientifiche.

//**Struttura e funzionamento**//

ll laser è essenzialmente composto da 3 parti:

  • Un mezzo attivo, cioè un materiale (gas, cristallo, liquido) che emette la luce;
  • Un sistema di pompaggio, che fornisce energia al mezzo attivo;
  • Una cavità ottica, o risonatore ottico, ossia una trappola per la luce;

Nel laser si sfrutta il mezzo attivo, il quale possiede la capacità di emettere radiazioni elettromagnetiche (fotoni) quando attivato. Dal mezzo attivo dipende la lunghezza d'onda dell'emissione. Il mezzo attivo può essere gassoso (ad esempio anidride carbonica, miscela di elio e neon, ecc..), liquido (solventi, come metanolo, etanolo o glicole etilenico, a cui sono aggiunti coloranti chimici come cumarina, rodamina e fluoresceina) o solido (rubino, neodimio, semiconduttori ecc…). Il sistema di pompaggio fornisce energia al mezzo attivo portandolo all'eccitazione con emissione di fotoni. L'eccitazione può avvenire tramite:

  • pompaggio ottico (lampade stroboscopiche, diodi laser, ecc.)
  • urti elettronici (scarica elettrica in gas con sorgente di corrente continua, impulsata, di radio frequenza o una loro combinazione)
//**Effetto Penning**//

Le radiazioni emesse vengono normalmente concentrate attraverso una cavità ottica con pareti interne riflettenti, ed una zona di uscita semiriflettente. Questa ultima superficie è l'unica che permette la fuoriuscita del raggio, il quale viene successivamente lavorato e riposizionato attraverso una serie di lenti e specchi per far sì che il raggio risultante abbia la posizione, concentrazione nonché ampiezza desiderate.

//**Principio di funzionamento**//

Come dice la sigla (LASER → Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata: $$ M^* + hν → M + 2hν $$ La luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede energia agli atomi che incontra, eccitandoli, perché li trova in uno stato energetico “basso”. Se interveniamo eccitando gli atomi del materiale con una fonte di energia esterna, allora secondo l'analisi di Einstein le probabilità che avvengano l'emissione stimolata e l'assorbimento sono date dalla percentuale di atomi eccitati a fronte di quella di atomi nello stato energetico base: $$ P_{esp} = B \cdot N_2 \cdot ρ(ν_{12}) $$ $$ P_{ass} = B\cdot N_1 \cdot ρ(ν_{12}) $$ dove B è il coefficiente di Einstein, N1 è la popolazione dello stato a energia E1 e N2 è la popolazione dello stato a energia E2; (E2 > E1); La stimolazione o pompaggio di un laser può avvenire otticamente o elettricamente. La stimolazione ottica può essere effettuata da una lampada che avvolge il materiale attivo il tutto all'interno di uno specchio. In alternativa si può utilizzare una lampada lineare, ma il materiale attivo e la lampada devono essere posti nei fuochi di uno specchio ellittico in modo da far convergere tutti i raggi luminosi sul materiale attivo. La stimolazione elettrica invece avviene mediante l'applicazione di una differenza di potenziale ed è applicabile solo a materiali conduttori come, ad esempio, vapori di metalli.

//**Caratteristiche della radiazione laser**//

Le caratteristiche della radiazione laser sono:

Direzionalità: Il laser emette la radiazione in un'unica direzione. Più precisamente l'angolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo; una buona descrizione della propagazione e collimazione di un fascio laser è data dall'ottica dei fasci gaussiani. Questa caratteristica viene sfruttata in diversi ambiti, per esempio permette di trattare le superfici in maniera estremamente accurata (litografia, dischi ottici, etc.).

Monocromaticità: L'allargamento della banda di emissione è dato dalla larghezza naturale e dall'effetto Doppler (che può essere eliminato o comunque contenuto parecchio). In spettroscopia si sfrutta questa caratteristica per ottenere spettri ad alta risoluzione.

Radianza: Nei laser la quantità di energia emessa per unità di angolo solido è incomparabilmente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali. In particolare è elevato il numero di fotoni per unità di frequenza. Questa caratteristica è diretta conseguenza delle due precedentemente citate. Grazie a questa caratteristica si ha la possibilità di osservare fenomeni particolari, come per esempio l'assorbimento a molti fotoni.

Coerenza: Mentre nell'emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell'emissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto l'emissione. La fase viene quindi mantenuta nel tempo e nello spazio. Questa caratteristica ha permesso lo sviluppo della tecnica CARS.

Impulsi ultra-brevi: Con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti di onde estremamente stretti nel dominio del tempo, attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dell'ordine del femtosecondo. Questi laser hanno trovato impieghi in diversi ambiti di ricerca, hanno per esempio permesso la nascita di una nuova disciplina, che è stata chiamata femtochimica.

//**Tipologie di laser**//

I laser possono essere suddivisi in 3 tipi generali: a stato solido, a gas e a liquidi.

Allo stato solido troviamo lo YAG(granato di ittrio e alluminio), la sua lunghezza standard è di 1064nm utilizzato per uso generico.La seconda armonica è di 532nm(Laser verde), ha una marcatura leggera su wafer di silicio, e utilizzato per marcature e lavorazioni di precisione. La terza armonica è di 355nm(Laser UV), utilizzato per lavorazioni estremamente precise come la marcatura LCD e la lavorazione di fori VIA. Lavorazione di cristalli liquidi: Taglio pattern del rivestimento Lavorazione di fori VIA: Realizzazione di fori nelle PCB I laser YAG sono utilizzati per marcature per uso generico e per lavorazioni come la marcatura e la rifinitura non solo di materiali plastici ma anche di materiali metallici. Con una lunghezza d'onda della luce del vicino infrarosso di 1064 nm, questi laser non possono essere visti dall'occhio umano. YAG è una struttura cristallina di ittrio (Y), alluminio (A) e granato (G). Drogando un elemento di emissione della luce, in questo caso lo ione di neodimio (Nd), il cristallo YAG entrerà nello stato eccitato attraverso l'assorbimento della luce di una lampada o di un diodo laser.

Allo stato gas troviamo il laser CO2 (10,6 μm).I laser CO2 sono comunemente usati nelle macchine di lavorazione per applicazioni di marcatura. Con una lunghezza d'onda della luce a infrarossi di 10,6 nm, questi laser non possono essere visti dall'occhio umano. I laser CO2 includono non solo gas CO2 dentro il tubo di oscillazione completamente sigillato ma anche quantità specifiche di N2 (azoto) ed He (elio). In virtù di questa caratteristica, i laser CO2 sono soprannominati laser di “tipo sigillato”. L'azoto (N2) aumenta l'energia del CO2, mentre l'elio (He) l'abbassa costantemente fino a uno stato più stabile.

fisica/strumenti/laser.1606498288.txt.bz2 · Ultima modifica: 2020/11/27 17:31 da federica.troni