LASER: 7 fatti importanti che dovresti sapere

Contenuti

• Cos'è un laser?
• Cos'è l'emissione stimolata?
• Cos'è un Maser?
• Qual è la differenza tra un laser e un maser?
• Cos'è un mezzo di amplificazione?
• Come funziona un laser?
• Quali sono le due modalità di funzionamento di un laser?
• Quali sono le applicazioni di un laser?

Cos'è un laser?

LASER sta per "Amplificazione di luce mediante emissione stimolata di radiazione“, È uno strumento in cui la luce viene emessa dal processo di amplificazione ottica attraverso l'emissione stimolata di radiazioni elettromagnetiche. Il primo laser è stato inventato e progettato da Theodore Maiman nell'anno 1960, il design di questo strumento è stato influenzato dai lavori teorici di Charles Hard Townes e Arthur Leonard Schawlow e la luce emessa da un laser è di natura coerente, ovvero la fase- anche la differenza è costante. Questo dispositivo è utilizzato per un'ampia varietà di applicazioni nel campo della medicina, della ricerca, della produzione, militare, ecc.

Cos'è l'emissione stimolata?

Un elettrone presente che occupa uno stato di energia inferiore assorbe una certa energia esterna presente sotto forma di luce (fotoni) o calore (fononi) al fine di occupare uno stato di energia superiore e questa e-transizione da uno stato ad un altro è possibile solo quando le energie del fotone o fonone è uguale alla differenza di energia tra questi 2 stati. Pertanto, questi elettroni o atomi sono in grado di assorbire solo una specifica frequenza di luce per la transizione.

Gli elettroni non possono rimanere per sempre nello stato eccitato superiore. Tendono a tornare al loro stato fondamentale. Questi elettroni sono talvolta influenzati esternamente per passare da uno stato eccitato superiore a uno stato eccitato inferiore o stato fondamentale. Il fotone emesso dopo la transizione alto-basso corrisponde al fotone fornito esternamente in termini di direzione, fase e lunghezza d'onda. Questo processo di rilascio di fotoni è indicato come emissione stimolata e questo costituisce la base del funzionamento del laser.

Per l'emissione stimolata, il primo requisito è di eccitare gli elettroni o gli atomi con l'aiuto di un mezzo di guadagno, perché in un mezzo normale il numero di atomi nello stato di energia inferiore è maggiore che negli stati di energia superiore allo stato equilibrio termale condizione quindi, la velocità di assorbimento supera la velocità di emissione stimolata in mezzi normali.

Cos'è un Maser?

MASER o "Amplificazione a microonde mediante emissione stimolata di radiazioni“, è un dispositivo in cui l’emissione elettromagnetica coerente di microonde viene generata mediante amplificazione attraverso la modalità di emissione stimolata. Maser è stato inventato alla Columbia University, nel 1953 dallo scienziato James P. Gordon, Charles H. Townes e Herbert J. Zeiger. I maser hanno le loro applicazioni in dispositivi come orologi atomici e radiotelescopi. I maser possono anche produrre radiazioni elettromagnetiche appartenenti alla gamma del radio e dell'infrarosso.

Qual è la differenza tra un laser e un maser?

Laser contro Maser

Cos'è un mezzo di amplificazione?

Nei laser, il mezzo di amplificazione o il mezzo di guadagno ottico è un materiale che amplifica la potenza del raggio di luce generato. Il mezzo di guadagno compensa la perdita di potenza dovuta al risonatore. Il mezzo di guadagno amplifica la luce assorbendo energia attraverso il processo di pompaggio elettrico (oa volte pompaggio ottico). Il mezzo di guadagno può essere di diversi tipi come Nd: YAG (granato di alluminio e ittrio drogato al neodimio Laser YAG), Yb: mezzo YAG (YAG drogato con itterbio), arseniuro di gallio, nitruro di gallio o mezzo semiconduttore di arseniuro di gallio indio, mezzo di guadagno ceramico, mezzo in fibra ottica, ecc.

Come funziona un laser?

Generalmente, questi strumenti contengono un guadagno o mezzo di amplificazione, un meccanismo di pompaggio e un sistema per fornire feedback ottico. I laser funzionano secondo il principio dell'assorbimento fotoelettrico e dell'emissione stimolata. Questi strumenti hanno un mezzo di guadagno che può essere un materiale solido, liquido o gassoso. Questo mezzo riceve l'energia esterna e la dirige verso gli atomi o gli elettroni per eccitarli ai loro stati energetici superiori e questo materiale può essere regolato in termini di forma e dimensione, concentrazione e purezza.

L'inversione di popolazione si riferisce allo stato in cui il numero di particelle presenti in uno stato eccitato superiore ha superato il numero di particelle presenti nello stato di eccitazione inferiore. In questo stato, i tassi di emissione dei fotoni stimolati supereranno il tasso di energia assorbita dall'elettrone. Pertanto, il raggio di luce emesso sotto forma di fotoni viene amplificato.

All'interno del dispositivo è presente una cavità ottica. È principalmente una coppia di specchi (chiamati anche accoppiatori di uscita) presenti su ciascun lato del mezzo di guadagno per far rimbalzare il raggio di luce avanti e indietro attraverso il mezzo che viene amplificato ogni volta che colpisce lo specchio, e uno dei due specchi è parzialmente trasparente permettendo alla luce di fuoriuscire attraverso di esso e se gli specchi presenti sono curvi, la luce esce sotto forma di un fascio stretto e se gli specchi sono piatti, il raggio di luce viene diffuso.

Quali sono le due modalità di funzionamento di un laser?

Il fascio di luce coerente può essere generato sia in modalità pulsata che in modalità continua.

Funzionamento in modalità pulsata di un laser:

In modalità pulsata, la potenza ottica segue l'andamento di un impulso e ha una frequenza di ripetizione basata su una certa durata di tempo. La modalità pulsata viene utilizzata per generare impulsi ad alta potenza abbassando la frequenza degli impulsi. Il processo di ablazione e perforazione che richiedeva uscite ad alta potenza spesso utilizzava la modalità pulsata alla massima potenza dell'impulso. I processi che richiedono l'applicazione di effetti ottici non lineari utilizzano la modalità pulsata basandosi sulla massima potenza o energia dell'impulso. A volte non è possibile ottenere l'amplificazione in modalità continua, quindi viene utilizzata la modalità pulsata.

Funzionamento in modalità continua di un laser:

In modalità continua, la potenza in uscita rimane costante nel tempo. In questa modalità, la variazione di frequenza è trascurabile e non influenza l'applicazione del laser. Questa modalità richiede una sorgente di pompa costante in modo che possa essere ottenuta l'inversione della popolazione del mezzo di amplificazione. Il pompaggio continuo dei laser a livelli di potenza elevati può provocare danni al laser a causa del riscaldamento eccessivo. Per questo motivo, la modalità continua ha un livello di potenza in uscita limitato. Questa modalità viene utilizzata principalmente per scopi sperimentali e medici.

Quali sono le applicazioni dei laser?

Applicazioni dei laser

Applicazioni militari del laser

Diversi tipi di laser come i laser ad anidride carbonica che funzionano ed emettono luce infrarossa sono utilizzati per diverse applicazioni militari. L'atmosfera terrestre è relativamente più trasparente ai raggi infrarossi. Per questo motivo, tali laser si dimostrano efficienti per il telemetro militare utilizzando metodi come LIDAR (rilevamento e distanza della luce). Il raggio laser fornisce informazioni sulle distanze dell'osservatore e sulla posizione del bersaglio.

Applicazioni mediche del laser

Laser IR, Laser ad eccimeri utilizzati in campo medico.

Applicazioni industriali (taglio e saldatura) del laser

I laser forniscono fasci ad alta potenza che possono essere efficaci per diverse applicazioni industriali come processo di saldatura, processo di incisione, processo di pallinatura e foratura, preparazione placcata e taglio laser per metallo duro o processo di taglio del vetro, ecc. Oggigiorno, questi strumenti vengono utilizzati anche per pulizia della superficie che comporta l'eliminazione delle impurità e dei contaminanti dalla superficie di un materiale. Il CO₂ utilizzato per l'incisione su materiali e questi dispositivi sono utilizzati anche nei processi di produzione selettiva di SLS o sinterizzazione laser selettiva.

Applicazioni di ricerca di laser

La procedura SILEX (Separation of isotope by laser eccitation) utilizzata per arricchire l'uranio coinvolge anche il laser IR, molte altre importanti applicazioni come la fabbricazione di dispositivi microfluidici comporta anche l'uso di questi strumenti poiché il comune poli (metil metacrilato) è un buon assorbente delle onde IR.

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Sanchari Chakraborti

Ciao, sono Sanchari Chakraborty. Ho fatto il Master in Elettronica.
Mi piace sempre esplorare nuove invenzioni nel campo dell'elettronica.
Sono uno studente desideroso, attualmente investito nel campo dell'ottica applicata e della fotonica. Sono anche membro attivo della SPIE (Società internazionale per l'ottica e la fotonica) e dell'OSI (Optical Society of India). I miei articoli hanno lo scopo di portare alla luce argomenti di ricerca scientifica di qualità in modo semplice ma informativo. La scienza si è evoluta da tempo immemorabile. Quindi, faccio del mio meglio per attingere all'evoluzione e presentarla ai lettori.
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