LASER e tecnologie
fotoniche
Nicolò Spagnolo, Fabio Sciarrino
Università di Roma “La Sapienza”
http://quantumoptics.phys.uniroma1.it
http://www.3dquest.eu
Che significa LASER ?
Acronimo:
Light Amplification by
Stimulated
Emission of Radiation
Amplificazione della luce per emissione
stimolata di radiazione
Sommario
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•
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•
•
•
Principi di funzionamento del LASER
Cenni storici
Tipi di LASER
Laser in regime impulsato
Cenni di ottica non-lineare
Ottica integrata
Lo spettro elettromagnetico
Energia
Lunghezza d’onda
Lo spettro elettromagnetico visibile
lunghezze d’onda fra 780 nm e 390 nm
Rosso
780 – 620 nm
Arancione
620 – 600 nm
Giallo
Blu
600 – 575 nm
495 – 455 nm
Verde
575 – 495 nm
Colori e rispettive lunghezze d’onda
1 nm = 1 nanometro = 10-9 m
Violetto
455 – 390 nm
Energia dei fotoni
Frequenza 100 MHz (onde Radio):
Lunghezza d’onda 3 m
energia di 10-7 eV
Frequenza 5 1014 Hz:
energia di 2 eV
Lunghezza d’onda 600 nm = 6 10-7 m
LASER a diodo emette una potenza pari a 1 mW
emette circa 1015 fotoni ogni secondo
Che cos’è il LASER ?
Il LASER è una sorgente di luce con
particolari proprietà
Qual’è la differenza fra la luce
normale e la luce LASER ?
• La monocromaticità e la lunghezza d’onda
La lunghezza d’onda specifica il colore della luce emessa dal
LASER e la monocromaticità specifica la “purezza” del colore.
La luce bianca, come la luce emessa dal Un LASER emette solo in una regione
Sole o da una lampadina, è composta da estremamente ridotta dello spettro.
tutti i colori.
632,80nm < λ < 632,81nm
400 nm < λ < 800 nm
LASER
Qual’è la differenza fra la luce
normale e la luce LASER ?
• La divergenza
Normali sorgenti di luce emettono onde in tutte le direzione.
Diversamente il LASER emette radiazione solamente in una
direzione ben definita.
LASER
Qual’è la differenza fra la luce
normale e la luce LASER ?
• In un LASER tutta la potenza emessa è raccolta su una
regione di spazio molto ridotta
• LASER in regime continuo
•
regime impulsato
LASER
LASER
Come funziona il LASER ?
Schema di un LASER
• I) Mezzo attivo: mezzo (gas, cristallo,
liquido) che emette la luce
• II) Sistema di pompaggio: fornisce energia
al mezzo attivo
• III) Cavità ottica: trappola per la luce
I) Il mezzo attivo
Atomo: livelli energetici
• Atomo: livelli energetici quantizzati
Energia E1
Livello fondamentale, a riposo
Atomo: livelli energetici
• Atomo: livelli energetici quantizzati
Energia E2
Livello eccitato
Energia E1
Livello fondamentale, a riposo
E2 > E1
Interazione fra atomo e
radiazione: assorbimento
• Atomo nel livello energetico E1
Fotone di
energia E2 – E1
E2
E1
Assorbimento
• Atomo nel livello energetico E2
Fotone di energia E2 – E1
E2
assorbito
E1
Emissione spontanea
• Atomo nel livello energetico E2
E2
E1
Emissione spontanea
• Atomo nel livello energetico E1
E2
E1
Emesso fotone di
Energia E2 – E1
Emissione spontanea
• Sfruttata in tutte le sorgenti quali lampadine, LED,
televisore, fuoco
Mezzo viene eccitato elettronicamente (televisore)
o termicamente (fuoco)
• Isotropica (luce emessa in tutte le direzioni)
• Larghezza di riga (spettro di lunghezza d’onda)
lampadina emette onde di tutte le lunghezze d’onda
Emissione stimolata
• Atomo nel livello energetico E2
E2
Fotone di
energia E2 – E1
E1
Emissione stimolata
• Atomo nel livello energetico E1
E2
E1
2 fotoni di
energia E2 – E1
Emissione stimolata
per amplificare la luce
E2
E1
Emissione stimolata
per amplificare la luce
E2
E1
Amplificazione dovuta all’emissione stimolata
alla base del funzionamento del LASER
I)
Il sistema di pompaggio
Come si portano gli atomi dal
livello energetico E1 al livello E2
Sistema di pompaggio: fornisce energia al
mezzo attivo
• Eccitazione elettronica (corrente, scariche
elettriche)
• Pompaggio ottico (lampade molto intense)
Mezzo con inversione di popolazione
Mezzo con inversione
di popolazione: il Rubidio
Pompaggio
ottico
E2
Livello
eccitato
Livello
E1 fondamentale
III)
La cavità ottica
Cavità ottica
Specchio con
Riflettività del 100 %
Specchio con
Riflettività = 100 %
Luce intrappolata
Il LASER
SPECCHIO
Riflettività del 100%
MEZZO ATTIVO
GAS DI ATOMI
SPECCHIO
Riflettività del 100%
Sistema di pompaggio
Eccitazione della
nube di atomi
Gli atomi vengono eccitati nel livello energetico E2
Inizialmente gli atomi si disecittano
per emissione spontanea
Alcuni fotoni vengono emessi lungo la cavità
Alcuni fotoni vengono emessi lungo la cavità
….e rimangono intrappolati nella cavità
La luce intrappolata nella cavità viene amplificata
per emissione stimolata
La luce intrappolata nella cavità viene amplificata
per emissione stimolata
Per emissione stimolata si ottiene un fascio di luce
molto intenso (circa 1015 fotoni)
Per ottenere un fascio di luce all’esterno della cavità
si riduce la riflettività di uno specchio
Specchio con riflettività
del 90%
1
Quando è nata l’idea del LASER ?
Primo LASER: 1960
Emissione
spontanea
Emissione
stimolata
Università di Malibu, California
Prof. Maiman (1960)
Premi Nobel per il LASER
Premio Nobel per la Fisica del 1964 :
Nikolai Gennadievich Basov (Russia)
Alexander Mikhailovich Prokhorov (Russia)
“ per la ricerca di base nel campo della fisica sperimentale,
che ha portato alla scoperta del maser e del laser“
Charles Hard Townes (USA)
“per il lavoro fondamentale nel campo dell’elettronica quantistica, che ha portato alla
costruzione di oscillatori ed amplificatori basati sul principio del maser-laser"
Premio Nobel per la Fisica del 1981:
Nicolaas Bloembergen (USA)
Arthur L. Schawlow (USA)
“per il loro contributo alla sviluppo della spettroscopia laser"
Alcuni tipi di LASER
LASER a gas
Gas
Potenza
di picco
Lunghezz Utilizzo
a d’onda
HeNe
1 mW
633 nm
Scanner del supermercato
Argon 10 W
488 nm
Effetti speciali discoteche
Utilizzo Medicale
CO2
10.6 μm
10.6 μm
Taglio ed incisione
Trattamento della pelle
200 W
5 mW
LASER a semiconduttori
Materiale
Potenza di picco
Lunghezza d’onda
Utilizzo
GaAs
5 mW
840 nm
Lettori CD
AlGaAs
50 W
760 nm
Stampanti
GaInAs
P
10 mW
1.3 μm
Communicazioni in fibra ottica
Mezzo
attivo
Emissione
luce
Specchi
LASER a semiconduttori
Comunicazioni in fibra ottica
LASER ultra-corti ed ultra-intensi
Alcuni ordini di grandezza
Metric prefixes
milli 10-3 kilo 103
micr 10-6 meg 106
onano 10-9 agiga 109
pico 10-12 terr 1012
femt 10-15 apeta 1015
oatto 10-18 exa 1018
zept 10-21 zett 1021
oyoct 10-24 ayott 1024
o
a
Ottica non-lineare
Ottica non lineare - I
Risposta lineare di un mezzo ad un campo elettrico:
In generale, per campi intensi la risposta di un mezzo è descritta da:
suscettività nonlineare del secondo ordine
suscettività nonlineare del terzo ordine
Valori tipici:
Richiede potenze incidenti elevate
Prime osservazioni dopo la scoperta del
laser
Ottica non lineare - II
Processi del secondo ordine:
non nulla per materiali non-centrosimmetrici
Processi a tre campi
Interazione di tre campi mediata dalla presenza del mezzo non
lineare
Esempi:
Generazione di seconda armonica
Generazione di frequenza differenza
Fluorescenza parametrica
Alla base delle moderne tecniche nel
campo dell'ottica e dell'informazione
quantistica
Generazione di Seconda Armonica
Campo incidente:
Risposta del mezzo:
k,ω
k,2ω
k,ω
Processo: annichilazione di due fotoni del campo incidente a
frequenza ω e generazione di un fotone a frequenza 2ω
conservazione dell'energia
conservazione dell'impulso
Applicazione: Generazione di fasci laser con lunghezza d'onda
dimezzata
Generazione di frequenza differenza
Campo incidente:
Risposta del mezzo:
kp
kp,ωp
k2,ω2
k1
k1
k2
k1,ω1
Processo: annichilazione di un fotone del campo incidente e
generazione di una coppia di fotoni a frequenza ω1 e ω2
conservazione dell'energia
conservazione dell'impulso
k1,ω1
Fluorescenza Parametrica
Fluorescenza parametrica: Generazione di frequenza differenza in
regime di emissione spontanea
Processo: annichilazione di un fotone del campo incidente
e generazione di una coppia di fotoni a frequenza ω1 e ω2
conservazione dell'energia
conservazione dell'impulso
Applicazione: Generazione di stati quantistici a due fotoni
Oscillatore Parametrico – luce tunabile
Amplificazione parametrica → Fluorescenza parametrica in emissione stimolata
OPO → amplificazione parametrica in cavità ottica
Caratteristiche:
Il fascio di pompa è dato da radiazione laser ad alta potenza
Capacità di tunare la frequenza della luce generata
variando le condizioni di phase matching
Emissione lungo la direzione della pompa
Generazione di luce bianca
Fascio laser intenso,
impulsato, banda stretta
Luce a spettro largo
Allargamento dello spettro indotto dal fenomeno di self-phase modulation
Fenomeno del terzo ordine:
Differenza di fase dipendente dal tempo
modulata dall'intensità:
n dipende dalla potenza incidente
Allargamento dello spettro
Esempio: laser da 20 fs che si propaga in 2mm di un cristallo fotonico
Durata
Spettro
Fotonica integrata
Guide d'onda
Cosa sono le guide d'onda: sono dei dispositivi che
permettono di confinare e guidare la luce su lunghe distanze
CONFINAMENTO: un mezzo con un indice di rifrazione circondato da un
mezzo con indice di rifrazione più basso. Per riflessione totale interna la luce
rimane confinata nel mezzo ad alto indice di rifrazione
Guide d'onda
Esistono vari tipi di guide d'onda
Planari
Confinamento
2D
La luce viene
confinata
in due dimensioni
Rettangolari
Cilindriche
Confinamento 1D
La luce viene
confinata
in una dimensione
Fibra ottica
Invenzione: inizio anni ’70
Luce intrappolata all’interno del “cuore” della
Fibra (core) della dimensioni di alcuni μm
Cappello umano
70 μm
Guide d'onda con confinamento 2D
Cilindro con sezione quadrata di
lato d e indice di rifrazione n1
avvolto in un materiale con
indice di rifrazione leggermente
più basso n2
Se questa relazione
è soddisfatta la luce
è guidata
Vettore d'onda nel
vuoto
Propagazione in guida
Il singolo modo, essendo confinato, non cambia il suo profilo spaziale
Modi guidati: Guide Singolo modo e Multimodo
A seconda delle dimensioni trasversali varierà il numero dei modi guidati M
I diversi modi si propagano con velocità diverse all'interno della
guida, quindi si perde la coerenza del fascio iniettato
(i modi non sono più in relazione di fase tra loro all'uscita della
guida)
Modi guidati: Guide Singolo modo e Multimodo
Hermite-Gauss modes
Laguerre-Gauss modes
All'aumentare dell'ordine del modo aumentano le dimensioni trasversali
Per accoppiare in guida il singolo modo TEM00 diametro circa 4 micron
Per accoppiare molti modi diametro più grande: circa 60 micron
Vari tipi di guide d'onda
Fibre ottiche
Fibre fotoniche
Guide integrate
Telecomunicazioni
Ottica nel visibile
Accoppiamento tra guide d'onda
Se due guide vengono poste
vicine tra loro la luce guidata
in una delle due potrà
trasferirsi nell'altra per effetto
dell'onda evanescente
Inietto luce nella guida 1:
al variare di z la potenza in
uscita dalle due guide sarà
Coefficiente
d'accoppiamento
Dipende dalla lunghezza Differenza di fase tra
d'onda e dalla distanza tra
i due campi
le guide
Tecniche di Fabricazione: Litografia
Materiale
fotosensibile: le zone
esposte alla
radiazione subiscono
una alterazione
permanente
Bidimensional
capabilities;
Squared cross section;
Necessity of masks;
Long time fabrication.
Tecniche di Fabricazione: Scrittura a laser
3-dimensional Rapid device prototyping:
capabilities writing speed =4 cm/s
Propagation of circular
gaussian modes
Circular waveguide
transverse profile
Low
birefringence
Fotonica integrata
Single photons
Beam splitters
Phase shifters Photodetectors
