L'amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni, o laser in breve, è un dispositivo che crea e amplifica la radiazione elettromagnetica di frequenza specifica attraverso il processo di emissione stimolata. Nel laser tutti i raggi luminosi hanno la stessa lunghezza d'onda e sono coerenti; possono percorrere lunghe distanze senza diffondersi.
Per capire come funzionano i laser, dobbiamo capire come un atomo emette luce. Un atomo è la particella più piccola del mondo e contiene elettroni. Introducendo un fotone extra nell'atomo, gli elettroni sono costretti a spostarsi a un livello energetico più elevato e ora l'atomo si trova in uno stato eccitato. Tuttavia l'atomo eccitato è instabile e gli elettroni cercano sempre di ritornare allo stato fondamentale, liberando quindi l'energia in eccesso originariamente acquisita, sotto forma di fotone di radiazione luminosa. Questo processo è chiamato emissione spontanea, come mostrato di seguito nella Figura. 1.
Il laser contiene una camera in cui gli atomi di un mezzo vengono eccitati, portando i loro elettroni in orbite più alte con stati energetici più elevati. Quando uno di questi elettroni passa a uno stato energetico inferiore, emette la sua energia extra come un fotone con una frequenza specifica. Introducendo più fotoni nel sistema, i fotoni incontreranno eventualmente un altro atomo con un elettrone eccitato, che stimolerà quell'elettrone a tornare al suo stato originale, emettendo due o più fotoni con la stessa frequenza del primo e in fase con esso . Questo effetto si propaga attraverso la camera, stimolando costantemente altri atomi a emettere fotoni ancora più coerenti, e questo processo è chiamato emissioni stimolate. In altre parole, la luce è stata amplificata, come mostrato di seguito nella Figura 2
Inoltre, gli specchi su entrambe le estremità della camera fanno sì che la luce rimbalzi avanti e indietro attraverso il mezzo. Uno degli specchi è parzialmente trasparente, consentendo al raggio laser di uscire da quell'estremità della camera. Mantenendo un numero sufficiente di atomi nel mezzo mediante una fonte di energia esterna nello stato energetico più elevato, le emissioni vengono continuamente stimolate e questo processo è chiamato inversione di popolazione. Alla fine, crea un flusso di fotoni coerenti che è un raggio molto concentrato di potente luce laser. I laser hanno molti usi industriali, militari e scientifici, tra cui saldatura, rilevamento di bersagli, fotografia microscopica, fibra ottica, chirurgia, ecc.
Tipi di laser:
Esistono molti tipi diversi di laser e di seguito sono riportati i cinque tipi principali.
1. Laser a gas – es. Laser a gas HeNe e laser a CO2 che emettono centinaia di watt di potenza. Solitamente vengono utilizzati per il taglio e la saldatura nelle industrie.
2. Laser chimici – alimentati da una reazione chimica che consente grandi quantità di energia, principalmente per uso militare e con lunghezza d'onda molto elevata. Ex. Laser al fluoruro di idrogeno 2700 nm.
3. Laser a stato solido: pompati otticamente attraverso l'uso di un mezzo solido drogato, come cristallino o vetro drogati con ioni. Un esempio potrebbe essere un puntatore laser.
4. Laser a fibra: la luce viene guidata a causa della riflessione interna nella fibra ottica. Al giorno d'oggi sono ampiamente conosciuti per la loro elevata potenza di uscita, l'elevata qualità ottica e la lunga durata. Il motivo è dovuto alle proprietà delle fibre che forniscono un elevato rapporto superficie/volume, che consente un raffreddamento efficiente quando si supportano kilowatt di potenza di uscita continua. Le proprietà di guida d'onda della fibra aiutano a mantenere la potenza del segnale e a ridurre al minimo la distorsione. I laser a fibra sono oggi ampiamente utilizzati per le telecomunicazioni che si estendono in regioni lunghe diversi chilometri.
5. Laser a semiconduttore – pompati elettricamente
a) Diodi emettitori di luce (LED) - In un diodo formato da un semiconduttore con banda proibita diretta, come l'arseniuro di gallio, i portatori che attraversano la giunzione emettono fotoni quando si ricombinano con il portatore maggioritario sull'altro lato. A seconda del materiale, possono essere prodotte lunghezze d'onda (o colori) dall'infrarosso al vicino ultravioletto. Tutti i LED producono una luce incoerente e a spettro ristretto. I LED possono essere utilizzati anche come fotodiodi a bassa efficienza nelle applicazioni di segnale. Un LED può essere accoppiato con un fotodiodo o un fototransistor nello stesso pacchetto, per formare un optoisolatore.
b) Diodi laser - Quando una struttura simile a un LED è contenuta in una cavità risonante formata lucidando le facce terminali parallele, è possibile formare un laser. I diodi laser sono comunemente utilizzati nei dispositivi di memorizzazione ottica e per la comunicazione ottica ad alta velocità.
Il diodo laser è un laser in cui il mezzo è un semiconduttore, formato da una giunzione pn, come mostrato in Fig. 3, e alimentato da corrente elettrica. Per i diversi tipi di strutture dei diodi laser, fare riferimento all'Appendice 3. Fondamentalmente, un diodo laser è una combinazione di chip semiconduttore che emette luce coerente e un chip fotodiodo monitor per il controllo feedback della potenza erogata, in un involucro ermeticamente confezionato e sigillato.
I materiali semiconduttori utilizzati oggi per creare diodi a giunzione pn che emettono luce sono: arseniuro di gallio, fosfuro di indio, antimoniuro di gallio e nitruro di gallio. Il motivo per cui questi vengono utilizzati è a causa delle tre-cinque proprietà dei composti sulla tavola periodica chimica. I materiali devono essere pesantemente drogati per creare regioni P – N, il che esclude le altre, lasciando ai gruppi da tre a cinque le opzioni ideali.
Le loro lunghezze d'onda possono essere regolate modificando il rapporto di composizione. Ad esempio, la lunghezza d'onda del raggio laser prodotto dal substrato InP può essere aumentata aumentando il contenuto di indio o diminuendo la percentuale di contenuto di fosfato. Una lunghezza d'onda maggiore indica solitamente una distanza da percorrere più lunga.
Secondo Wikipedia, i diodi laser sono numericamente il tipo di laser più comune, con vendite nel 2004 di circa 733 milioni di laser a diodi, rispetto ai 131,000 di altri tipi di laser. I diodi laser trovano ampio utilizzo nelle telecomunicazioni come sorgenti luminose facilmente modulabili e facilmente accoppiabili per la comunicazione in fibra ottica.
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