Laser finale

La loro moltiplicazione tramite eventuali meccanismi di amplificazione nel materiale fotosensibile - raccolta dei portatori e generazione di una fotocorrente che fluisce in un circuito esterno.

Nei fotorivelatori vi è la conversione della radiazione incidente in coppie elettrone-lacuna e questa proprietà è basata sull'assorbimento. Quando un semiconduttore viene illuminato con fotoni pari all'ampiezza della banda proibita Eg, i fotoni vengono assorbiti dal materiale e si creano coppie elettrone-lacuna. Se hv > Eg, l'energia in eccesso pari a hv - Eg viene dissipata sotto forma di calore. Transizioni intrinseche.

Quando il fotone incidente ha un'energia hv < Eg, possono verificarsi due casi: non vi sono stati energetici disponibili nella banda proibita, si verifica il fenomeno della trasparenza e il fotone non viene assorbito. Se vi sono stati energetici disponibili, invece, questi verranno assorbiti e questo processo è noto come transizione estrinseca.

Il fotorivelatore intrinseco rivela una lunghezza d'onda dell'alunghezza dell'ampiezza della banda proibita. Un fotorivelatore estrinseco grazie al drogaggio del semiconduttore può rivelare radiazioni di energia inferiori alla banda proibita. Poiché la differenza di energia è di solito piccola, questi dispositivi sono utilizzati per la rivelazione di particelle nella regione dell'infrarosso. In questa regione, l'energia dei fotoni è comparabile alla energia termica media kT del rivelatore stesso. Può succedere che uno stimolo possa essere generato da un'eccitazione termica piuttosto che dall'assorbimento della luce, e ciò costituisce una fonte di rumore. Per ridurre il rumore, bisogna raffreddare il dispositivo, alcuni usano l'azoto liquido. Il flusso (φ con x) è uguale a φ0-φR per e^αx, quindi il flusso di corrente è uguale al flusso incidente meno il flusso di fotoni che viene riflesso per l'esponenziale.

con alfax costante di assorbimento del materiale. Vi sono 3 tipi principali di fotorivelatori: fotoconduttori, fotodiodi p-i-n e i fotodiodi a valanga (apd). Generali proprietà onde Onde elettromagnetiche sono trasversali, ovvero il campo elettrico e magnetico sono perpendicolari tra loro. L'andamento di onde piane implica che il campo elettrico avrà un'ampiezza per una funzione di tipo oscillante (coseno) di un argomento con la parte spaziale kx e una parte temporale omega t. K è il numero d'onda ed è legato alla lunghezza d'onda. Omega è la pulsazione e ci dice l'andamento nel tempo. Di solito si fa un'approssimazione delle onde parlandone di onde perfettamente piane e monocromatiche, ma in realtà esse hanno delle deviazioni nel tempo e quando il rapporto di fase si perde per queste deviazioni si dice che si è persa la COERENZA TEMPORALE. La COERENZA SPAZIALE LATERALE invece si considera quando si hanno due onde che provengono da sorgenti diverse e sono in

direzione perpendicolare fra loro e si dicono coerenti spazialmente se la loro differenza di fase è costante nel tempo. Nel laser vi è grande coerenza spaziale, inoltre l'emissione unidirezionale e coerente da una irradianza elevatissima.

Allargamento di riga: Esistono fenomeni di allargamento omogeneo e disomogeneo, se tutti gli atomi hanno la stessa frequenza è la stessa forma di riga allora si parla di allargamento omogeneo (collision broadening) se ogni atomo ha una frequenza di risonanza leggermente diversa per la stessa transizione la forma di riga osservata sarà una media delle singole transizioni e il meccanismo si dice disomogeneo (doppler broadening). Variazioni di temperatura, pressione, imperfezioni ecc provocano allargamenti disomogenei delle righe di assorbimento o emissione.

Effetto Doppler: Esso è la variazione del tono di un suono quando c'è un moto relativo tra la sorgente e l'osservatore. La nuova frequenza sarà v + u

(v/f)=(v+u/v)f=(1+u/v)f

Se l'osservatore si sta allontanando dalla sorgente cambia solo il segno della sua velocità.

Guadagno nei laser

Si potrebbe immaginare che il guadagno aumenti sempre se risulta maggiore delle perdite, invece l'intensità ad un certo punto arriva ad un massimo e si ferma. Dovuto alla saturazione del guadagno.

Il valore dovuto all'inversione di popolazione con le varie oscillazioni da uno stato all'altro tende a diminuire all'aumentare dell'intensità poiché essa induce più transizioni 2-1 che 1-2.

Laser continui o ad impulsi

I laser possono funzionare in onda continua o in impulsi: in regime continuo, la potenza del laser è tenuta costante per un lungo periodo di tempo. In regime impulsato il laser emette impulsi ad una certa frequenza, di solito il modo più semplice per generare impulsi è interrompere periodicamente un fascio laser continuo con un otturatore comandato o un disco rotativo.

conbuchi.

LASER A GAS MOLECOLARI

Questi gas operano su transizioni tra livelli energetici elettronici, vibrazionali e rotazionali. Infatti esistono tre tipi di moto indipendenti in una molecola: moto degli elettroni attorno ai nuclei, liberazione degli atomi, rotazione dell'intera molecola nello spazio e ad ognuno di questi moti corrisponde un'energia molto diversa. La maggiore energia è quella dell'elettrone che ruota attorno al nucleo, successivamente troviamo, sempre per ordine di grandezza, l'energia vibrazionale e infine il moto di rotazione dell'intera molecola nello spazio.

Questi laser utilizzano molecole e i più comuni sono laser ad azoto (N2) o ad anidride carbonica (CO2). Il laser ad azoto lavora solo a regime impulsato, emette luce nell'UV. Un sistema laser molto diffuso è il laser ad azoto molto diffuso per la sua economicità e altra potenza di picco. Il laser ad anidride carbonica ha un'efficienza molto alta. Il pompaggio siottiene facendo una scarica all'interno del gas. LASER A CO2 Il laser ad anidride carbonica è di straordinaria rilevanza sia nella ricerca che in applicazioni tecnologiche. Ad esempio il laser a CO2 è molto importante nelle applicazioni industriali poiché è in grado di emettere potenza molto elevata e continua con l'efficienza complessiva tra le più alte. Nonostante il nome il mezzo attivo del laser è costituito da una miscela ternaria di He, N2 e CO2 nella proporzione 3:2:1 con pressione di 0,1 atmosfere. L'allargamento di riga è disomogeneo poiché l'effetto Doppler è dominante. Esistono dei laser a CO2 ad eccitazione trasversa dove la scarica elettrica avviene in direzione perpendicolare all'asse ottico e gli elettrodi vengono posti a ridotta distanza così da riuscire ad ottenere un aumento della pressione e a pompare densità di gas 10-20 volte superiori senza dover innalzare la tensione di alimentazione.scarica, questi laser a CO2 sono noti come laser TEA (transversally excited at atmospheric pressure) che funzionano a regime impulsato.

LASER A GAS

Il mezzo attivo consiste in miscele gassose che possono essere di specie atomica o molecolare. Di solito il pompaggio esterno è una scarica elettrica, praticamente il gas viene posto tra due elettrodi in grado di rompere il gas e di renderlo conduttore. Questi sistemi di gas operano in regime sia continuo che impulsato.

LASER A GAS ATOMICI (HE-NE)

Un tipico laser a gas atomico utilizza una miscela di gas 80% He e 20% Ne. Una scarica di pompaggio continua nei gas pompa il livello dell'He E3 che è metastabile e per urti trasferisce l'energia al livello E2 del Ne. In questo modo il livello E2 è più popolato dell'E1. Sono proprio tali stati metastabili dell'elio che rappresentano un serbatoio di energia a cui attingere per popolare i livelli del neon che fanno da livelli laser superiore. L'inversione si

Mantiene per la metastabilità di E3 el’emissione stimolata tra E2 ed E1 predomina e si genera unaluce laser rossa. La pressione sull’elio è maggiore che sul neon. Illaser rientra nella categoria di laser a 4 livelli. Il livello inferioredel neon 1s è anche esso metastabile e tendono quindi adaccumularsi gli elettroni e ad equilibrarsi con il livello 2p e ciòcomporta uno svuotamento poco rapido è una diminuzione delvalore dell’inversione di popolazione e il verificarsi del problemadel collo di bottiglia,l’unico modo di diseccitazione efficace èdato dagli urti contro le pareti di vetro del tubo che contiene ilgas. Infatti il guadagno del laser Elio-neon risulta inversamenteproporzionale al raggio del tubo di scarico e diametri troppopiccoli producono perdite per diffrazione.

Laser a ioni di argonRientra nella categoria di laser a gas ionizzati che richiedono peril funzionamento densità di corrente molto elevate

poiché il livello laser superiore è costituito da uno degli stati eccitati dello ione di un gas nobile come l'argon. Nel laser ad Ar l'inversione di popolazione è raggiunta non attraverso un pompaggio selettivo del livello superiore, quanto piuttosto attraverso un rapido e preferenziale spopolamento del livello laser inferiore. La scarica di corrente è di tipo longitudinale e continua. L'elevata densità di corrente implica una dissipazione di potenza e riscaldamento che richiede un efficiente sistema di raffreddamento, di solito effettuato facendo circolare acqua fredda attorno a stub che contiene la miscela gassosa. LASER A SEMICONDUTTORE: la radiazione emessa è dovuta all'emissione stimolata conseguente alla ricombinazione di elettroni nella banda di conduzione con buche nella banda di valenza. Il pompaggio è di solito ottenuto mediante un diodo p-n polarizzato. La transizione di un elettrone tra le bande di valenza e di conduzione provoca l'emissione di fotoni coerenti.conduzione avviene con l'emissione di un fotone con energia dipendente dal gap del semiconduttore (gap=banda proibita). L'inversione di popolazione fra le bande di conduzione e la banda di valenza consente di avere l'amplificazione della radiazione emessa. I diodi laser più famosi sono di AlGaAs (Arseniuro di gallio e alluminio). Le lunghezze d'onda disponibili sono dell'ordine del rosso-infrarosso. Essa può essere facilmente modulata modulando la corrente. Le applicazioni di questi laser sono molto usate nelle telecomunicazioni come nel lettore CD o DVD. Recentemente vengono usati per pompare i laser di tipo neodimio-YAG. LASER MOLECOLARI OPERANTI NEGLI UV Un'altra classe molto importante sono i laser ad