Il principio dei laser si basa sull'emissione stimolata, un concetto proposto per primo da Einstein all'inizio del XX secolo. Il processo principale è il seguente:
- Transizione elettronica: gli atomi o le molecole nel mezzo di lavoro acquisiscono energia sotto l'influenza di una fonte di pompa (come energia elettrica, energia luminosa, ecc.), passando da un livello energetico basso a un livello energetico elevato, entrando in uno stato eccitato. Poiché il livello energetico elevato è instabile, gli atomi o le molecole ritornano spontaneamente al livello energetico basso, rilasciando fotoni nel processo.
- Riflessione della cavità risonante: questi fotoni si riflettono avanti e indietro all'interno della cavità risonante, interagendo con altri atomi o molecole in stato eccitato nel mezzo di lavoro, innescando un'emissione più stimolata. Ciò fa sì che il numero di fotoni aumenti bruscamente, producendo una luce laser ad alta intensità, altamente monocromatica ed estremamente direzionale.
Il laser è costituito principalmente da tre parti: il mezzo di lavoro, la sorgente della pompa e la cavità risonante.
- Mezzo di lavoro: questo è il fondamento della generazione laser. È composto da un mezzo attivo che consente l'inversione di popolazione, come il rubino, il vetro al neodimio o il biossido di carbonio.
- Sorgente pompa: fornisce energia al mezzo di lavoro, inducendo un'emissione stimolata. I metodi comuni includono l'eccitazione elettrica e l'eccitazione ottica.
- Cavità risonante: composta da specchi a riflessione interna totale e specchi a riflessione interna parziale, fornisce feedback e un ambiente oscillante per i fotoni, consentendo loro di viaggiare avanti e indietro più volte all'interno della cavità, migliorando l'effetto di emissione stimolata e infine formando l'uscita laser.
La differenza principale tra i laser monomodali e multimodali risiede nel numero di modalità nel raggio di uscita.
- Laser monomodale: supporta solo una modalità di propagazione della luce. Ha un'elevata qualità del fascio, buona direzionalità e coerenza, uno spot del fascio circolare standard e un piccolo angolo di divergenza. È adatto per applicazioni ad alta precisione come interferometri laser e comunicazione in fibra ottica.
- Laser multimodale: supporta più modalità di propagazione della luce. Ha un ampio angolo di divergenza del fascio di uscita, una forma complessa del fascio e una distribuzione dell'intensità, una lunghezza di coerenza più breve, ma un'elevata potenza di uscita. È adatto per applicazioni meno impegnative come la lavorazione dei materiali e l'illuminazione laser.
I laser sono chiamati raggi gaussiani perché la loro distribuzione dell'intensità lungo la loro sezione trasversale è approssimativamente conforme a una funzione gaussiana, il che significa che l'intensità è elevata al centro e diminuisce gradualmente verso i bordi, esibendo una curva a campana.
Questa caratteristica di distribuzione deriva dall'autoriproducibilità del laser durante la sua formazione all'interno della cavità risonante; anche dopo la diffrazione e la propagazione, la sua distribuzione dell'intensità mantiene una forma gaussiana. I raggi gaussiani possiedono eccellenti prestazioni di messa a fuoco e monocromaticità, riducendo efficacemente la competizione tra modalità e migliorando la qualità del raggio, rendendoli ampiamente utilizzati nella progettazione di sistemi ottici, nell'elaborazione laser e in altri campi.
Classificazione dei laser I laser possono essere classificati in molti modi, uno dei quali è in base al mezzo di lavoro:
- Laser a stato solido: utilizzano materiali solidi come mezzo di lavoro, come i laser a granato di alluminio drogato al neodimio (Nd:YAG). Questi laser hanno tipicamente un'elevata potenza e una buona stabilità e sono ampiamente utilizzati nella lavorazione industriale, nella medicina e nella ricerca scientifica.
- Laser a gas: utilizzano gas come mezzo di lavoro, come i laser a elio-neon (He-Ne) e i laser ad anidride carbonica (CO2). I laser a gas hanno ampie applicazioni nelle regioni spettrali del visibile e dell'infrarosso.
- Laser liquidi: noti anche come laser a coloranti, utilizzano soluzioni di coloranti organici come mezzo di lavoro. La loro sintonizzabilità della lunghezza d'onda offre loro vantaggi unici nella ricerca scientifica e nella biomedicina.
- Laser a semiconduttore: utilizzano materiali semiconduttori come mezzo di lavoro, come i diodi laser. Questi laser offrono vantaggi in termini di miniaturizzazione e integrazione e sono ampiamente utilizzati nella comunicazione ottica, nella stampa laser e in altri campi.
- Laser a elettroni liberi: utilizzano fasci di elettroni liberi ad alta velocità come mezzo di lavoro. Offrono un'ampia gamma di potenze di uscita e lunghezze d'onda, rendendoli adatti alla fisica delle alte energie e alla spettroscopia a raggi X.
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