LASER e tecnologie fotoniche - Roma
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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 • • • • • • 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
