“Misure Misure Ottiche ” Corsi di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica e delle Telecom. e Fisica Sorgenti g Laser: Principi di Funzionamento Cesare Svelto Politecnico di Milano 1/52 Prima era il buio… Sorgenti Laser: Principi c p di d Funzionamento u o a e to Caratteristiche e Applicazioni pp Cesare Svelto Politecnico di Milano 2/52 … e poi fu la LUCE! Sorgenti Laser: Principi c p di d Funzionamento u o a e to Caratteristiche e Applicazioni pp Cesare Svelto Politecnico di Milano 3/52 Sommario (1) • Cenni storici, spettro p e.m., e dualismo della luce • Emissione stimolata, amplificazione ottica, risonatori,, azione laser • Meccanismi di pompa e inversione di popolazione p di laser • Materiali attivi e tipi • Laser a gas (He-Ne) • Laser a stato solido con pompa ottica (Nd:YAG) – Laser side-pumped e laser end-pumped • Laser a semiconduttore – Laser a diodo per puntamento, lettura ottica, stampanti, … – Laser a singolo modo per comunicazioni ottiche (DFB, DBR, VCSEL) – Laser a singolo modo (narrow linewidth) per misure di precisione: laser extended cavity (ECLD), laser a erbio in fibra e di tipo bulk 4/52 Sommario (2) • Laser impulsati (Q-switching (Q switching e mode locking) • Esempi di laser comuni, caratteristiche, applicazioni • Propagazione P i e misura i spaziale i l d della ll radiazione di i laser l – Dimensione di macchia (spot size) – Divergenza • Proprietà dei fasci laser – Caratteristiche spaziali p e spettrali p – Rumore di ampiezza e di frequenza • • • • Definizione e misura della potenza ottica Rivelazione diretta e rivelazione coerente pp e sicurezza laser Applicazioni Riferimenti bibliografici 5/52 Cenni storici e caratteristiche •LASER inventato i t t nell 1960 (T. (T Maiman) M i ) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation • Partendo dai lavori sui MASER (1954) e dai corrispondenti oscillatori a microonde si è passati alle frequenze ottiche d dove sono più iù evidenti id ti i fenomeni f i quantistici ti ti i • Il laser è una sorgente di luce con eccellenti caratteristiche: monocromaticità, coerenza (spaziale e temporale), g ) direzionalità, brillanza ((⇒ densità di energia), polarizzazione, durata temporale (⇒ densità di energia) 6/52 Lo spettro elettromagnetico • Oscillatori alle frequenze “ottiche” ottiche ( f ~ 500 THz ) f → ν con λ=c/ν lunghezza d’onda λ [nm] ν [THz] LIGHT λ 750 206 620 58 58 57 57 50 50 45 45 425 425 380 – – – – – – – – onde millimetriche (10mm-1mm) IR lontano e medio (1000μm -2.5μm) vicino-IR i i IR (2.5-0.75 (2 5 0 75μm)) VISibile (750nm-380nm) UV ((380nm-40nm)) raggi-X soft (40nm-1nm) raggi-X hard (1nm-0.01nm) raggii γ (10pm-0.01pm) (10 0 01 ) 107 0.03 106 0.3 2500 120 750 400 380 790 40 1 7500 3×105 mm IR n-IR VIS UV X γ • LASER con funzionamento in regime continuo o impulsato (portante ottica stazionaria o modulata) 7/52 Lunghezze d d’onda onda “ottiche” ottiche “LIGHTWAVES” LIGHTWAVES 1mm 5 decadi 10nm 8/52 Rappresentazione della luce • ONDA ( teoria ondulatoria ) – fenomeni di interferenza – effetti ff i di diff diffrazione i • FOTONE ( teoria corpuscolare ) – quantizzazione dell’energia E=hν – interazione radiazione/materia (assorbimento/emissione fotoni) • RAGGI ( ottica geometrica ) – analisi sistemi ottici: riflessione e rifrazione – più finemente: ottica gaussiana 9/52 Assorbimento, emissione spontanea, emissione stimolata ATTENUATORE E2 EMETTITORE 2 hν E2 AMPLIFICATORE 2 hν hν 1 E1 assorbimento τsp 1 E2 hν hν 2 1 E1 E1 emissione spontanea emissione stimolata Nel caso dell dell’emissione emissione stimolata, stimolata hν =E2-E1 un fotone incidente viene “amplificato” λ = hc/(E2-E1) producendo due fotoni coerenti 10/52 Amplificazione ottica (coerente) Emissione spontanea: (emissione incoerente) l’energia viene emessa con fase e direzione casuale Emissione stimolata: (emissione coerente) l’energia g viene emessa con la stessa fase, frequenza, direzione LIVELLI ENERGETICI superiore: E2 inferiore: E1 atomi ioni in vetri o cristalli molecole ((anche vibrazionali)) bande (semiconduttori) 11/52 CS1 Inversione di popolazione All equilibrio All’equilibrio termodinamico, con E2 > E1 , è sempre N2 < N1 N2 < N1 ATTENUA N2 > N1 AMPLIFICA “d “disequilibrio” lb ” ΔN = (N2 - N1) è detta INVERSIONE DI POPOLAZIONE Se N2 = N1 (il che vale anche per N2=N1=0) il materiale è "trasparente" alla ν e λ considerate 12/52 Diapositiva 12 CS1 incluso questo lucido è terminata la 1a lez 04-05 in aula GR.1.4 Cesare Svelto; 17/03/2005 Componenti di un oscillatore laser 1. Materiale Attivo atomi/ioni/molecole con “opportuni” livelli energetici 2. Meccanismo di Pompa trasferimento f di d energia che h consente una “inversione “ di popolazione”, “eccitando” il Materiale Attivo così da ottenere un guadagno ottico 3. Risonatore Ottico sistema di confinamento della radiazione e.m. 1. + 2. → dispositivo con guadagno amplificatore (azione laser) 3. → sistema di retroazione reazione (+) P E R D I T E G U A D A G N O OSCILLATORE (oscillazione laser) 13/52 Amplificazione ottica (??? 2 livelli) Pur fornendo energia al sistema, sistema è impossibile ottenere amplificazione dal sistema a 2 livelli ( quando N1=N0=N/2 un’ulteriore energia di pompaggio da la stessa probabilità di transizione 0Æ1 e 1Æ0 ) 1 Sistema a due livelli pompaggio transizione radiativa 0 ground level condizione per amplificazione: N1 > N0 (impossibile) “Non basta promuovere N/2 atomi sul livello superiore” (e non si riesce a promuoverne più di N/2) 14/52 Amplificazione ottica (3 livelli) Per ottenere amplificazione devo fornire energia a un sistema con più di 2 livelli INVERSIONE DI POPOLAZIONE N1 - N0 > 0 Sistema a tre livelli 2 transizione non radiativa 1 pompaggio condizione per il funzionamento τ21 << τ10 transizione radiativa (effetto laser) 0 ground level perché liv. 1 va svuotato condizione per amplificazione: N1 > N0 (non facile) “Occorre promuovere N/2 + n atomi sul livello superiore” 15/52 Esempio di laser a 3 livelli (rubino) Rubino: Al2O3 (allumina o corindone) con alcuni l i ioni i i di Al3+ sostituiti tit iti da d Cr C 3+ 16/52 Amplificazione ottica (4 livelli) Sistema più efficiente: 4 LIVELLI 3 transizione non radiativa 2 Sistema a quattro livelli transizione radiativa (effetto laser) pompaggio 1 transizione non radiativa ground level 0 condizione per il funzionamento τ10 , τ32 << τ21 perché liv. 1 è già vuoto condizione per amplificazione: N2 > 0 (semplice) “E’ sufficiente promuovere n atomi sul livello superiore” 17/52 Esempio di laser a 4 livelli (Nd:YAG) YAG: Yttrium Aluminium Garnet (Y2Al5O12 con alcuni l i atomi t i di Y3+ sostituiti tit iti da d Nd3+ 18/52 Diversi tipi di pompaggio • SCARICA ELETTRICA ( gas ) – l’energia della scarica eccita, mediante urti ( (energia i cinetica) i ti ) gli li atomi/ioni t i/i i • OTTICO ( cristalli, vetri, liquidi ) – i fotoni di pompa eccitano gli atomi/ioni • ELETTRICO ( semiconduttore ) – l’energia della corrente elettrica (energia di elettroni e lacune che si ricombinano) comporta l’irraggiamento di fotoni di luce 19/52 Livelli energetici, g ,p pompaggio, p gg , e e inversione di popolazione (4 liv.) 3 decadimento rapido pom mpaggiio 2 λ laser azione laser 1 decadimento rapido 0 N 3 ≅ 0 ≅ N1 τ21 >> τ32 , τ10 Inversione di popolazione: N2>N1 Il materiale attivo è in grado di amplificare la radiazione a λlaser 20/52 Guadagno in un materiale attivo Amplificazione p p per unità di lunghezza g nel materiale attivo cross section di emissione (cm2) dI = σ ( N 2 − N1 )I dz intensità ottica (W/cm2) ΔN inversione di popolazione (cm-3) Per un materiale attivo di lunghezza l: I (l ) = I (0) exp[σ ( N 2 − N1 ) l ] I(l) I(0) guadagno logaritmico g (cm-1) l I (l ) = G = exp[g l ] guadagno ottico per singolo passo I (0) 21/52 Componenti di un oscillatore laser (bis) 1. Materiale Attivo atomi/ioni/molecole con “opportuni” livelli energetici 2. Meccanismo di Pompa trasferimento f di d energia che h consente una “inversione “ di popolazione”, “eccitando” il Materiale Attivo così da ottenere un guadagno ottico 3. Risonatore Ottico sistema di confinamento della radiazione e.m. 1. + 2. → dispositivo con guadagno amplificatore (azione laser) 3. → sistema di retroazione reazione (+) P E R D I T E VISTI G U A D A G N O OSCILLATORE (oscillazione laser) 22/52 Risonatori ottici di tipo p Fabry y - Perot R1 specchio Risonatore Ottico R2 specchio condizione di risonanza lunghezza L=m⋅λ/2 autofrequenze ν = m ⋅ c / 2L L m, intero, m intero è l'ordine l ordine del modo di risonanza ci dice quante λ ci sono in un round-trip (2L) o su quale ordine del FSR è la frequenza ν free-spectral range Δνfsr = c / 2L 23/52 Parametri del Fabry - Perot R1[=99.9%] specchio R2[=99.9%] specchio Pin T = Pout / Pin Pout c/2L [F ≅ 3140] L Finesse F = Δνfsr / Δν c F = π(R 1R 2)1/4 / {1{1 (R 1R 2)1/2} F = πR1/2/ (1- R) con R=R1=R2 m m+1 ( con gli specchi migliori si è ottenuto F=600 000, dunque R=99.999 5% “mis. ind.” ) Larghezza L h di riga i Δν c = 1 / 2πτ c = cγ / 2πL Cavity lifetime τ c = L / cγ γ perdite (logaritmiche) per passaggio (v. dopo) Fattore di merito Q = ν /Δν c Q = (ν/Δν /Δ fsr)⋅F )F Q=m⋅F 24/52 Trasmissione del Fabry - Perot Profilo di Airy T (ϕ ) = asse lineare in ϕ o ν (non in λ) (1 − R )2 1 + R − 2 R cos ϕ 2 cos(ϕ =+1 ⇒ ϕ = ⇒ ϕ = n(2π ( π cos((ϕ =-1 n(2π per R=R1=R2 round trip e ϕ = (2π⋅ 2L λ) =(ks)= = (2π⋅ν ⋅2L/c) T = Pout / Pin c/2L m ν Δν fsr m+1 25/52 Guadagno in un materiale attivo (bis) Amplificazione p p per unità di lunghezza g nel materiale attivo dI = σΔN ⋅ I dz Per un materiale attivo di lunghezza l: I (l ) =G I (0 ) guadagno ottico per singolo passo Si ha un g guadagno g ottico G in intensità/potenza /p a ogni attraversamento del materiale attivo Ricaviamo ora il valore di guadagno critico (o l'inversione l inversione critica) che consente di innescare l‘oscillazione laser in un materiale attivo retroazionato positivamente 26/52 Condizione di soglia per ll'azione azione laser Il g guadagno g di round-tripp ((doppio pp p passaggio) gg ) deve eguagliare le perdite nel risonatore (riflettività specchi, superfici e materiali attraversati dal fascio, diffrazione). Considerando solo le riflettività parziali degli specchi (R1, R2 < 1) l specchio 1 R1GR2GI0 I0 materiale attivo GI0 R2GI0 GR2GI0 R1 specchio 2 G R2 sul round-trip deve essere R1GR2GI0 = I0 ⇒ G 2=1/(R1R2) exp[2σ(N2-N1)l] = 1/(R1R2) ⇒ σ(N2-N1)l =(1/2)[-ln(R1) -ln(R2)] 27/52 Inversione critica e p potenza di soglia g e efficienza differenziale di un laser γ =(1/2)[-ln(R ( / )[ ( 1) -ln(R ( 2)] perdite p log. g (N 2 − N1 )thh Pl γ = σl con γ = CARATTERISTICA guadagno = perdite σ(N2-N N1)l = γ (a ( soglia) li ) γ1 + γ 2 2 perdita logaritmica p g γ ((1)) saturazione INGRESSO-USCITA η slope l Pth ln R 1 ln R 2 =− − 2 2 dPl = dPp efficienza differenziale Pp 28/52 CS4 Materiale attivo, pompaggio, inversione, azione laser, l retroazione ottica, oscillazione ll laser l 29/52 Diapositiva 29 CS4 incluso questo lucido è terminata la 3a lez 04-05 in aula N.1.6 Cesare Svelto; 24/03/2005 Componenti di un oscillatore laser (bis) 1. Materiale Attivo atomi/ioni/molecole con “opportuni” livelli energetici 22. Meccanismo di Pompa [e soglia laser] trasferimento di energia che consente una “inversione inversione di popolazione popolazione” “eccitando” eccitando il Materiale Attivo così da ottenere un guadagno g g ottico 3. Risonatore Ottico sistema i t di confinamento fi t d della ll radiazione di i e.m. 30/52 Struttura di un oscillatore laser R1=100 % specchio R2=90 % specchio Materiale M t i l Attivo Atti (1.) (1 ) fascio laser Plaser efficienza differenziale (slope efficiency) η = ΔPlaser / ΔPpump SOGLIA Pth = Ppump,min per Plaser>0 Pompa (2.) Ppump Risonatore Ottico (3.) I colori sono solo indicativi … 31/52 Tipi di laser (classificazioni possibili) 1 Stato fisico/proprietà del materiale attivo: 1. – – – – laser a gas laser a coloranti (liquido) laser a stato solido (in matrice cristallina o amorfa) laser a semiconduttore 2. Lunghezza d’onda di emissione – laser l nell’IR, ll’IR VIS, VIS UV, UV e a raggii X 3 Regime di funzionamento 3. – laser in CONTINUA (CW) multimodo, singolo modo (long./trasv.), singola frequenza – laser IMPULSATI (pulsed) free-running, Q-switching, mode-locking 32/52 Laser a gas (pompa a scarica elettrica) He-Ne Laser System Tubo a flusso ( CO2 ) Power supply and ballast Tubo sigillato ( He-Ne ) ( 10 : 1 ) 100% Reflector BW BW 99% Reflector La scarica elettrica eccita (per impatto elettrone-atomo) gli atomi di He che trasferiscono la loro energia di eccitazione (resonant energy-transfer) agli atomi di Ne che infine possono effettuare l'azione laser 33/52 Laser a stato solido side side-pumped pumped parete riflettente Rlaser=100 % specchio Pompa a lampada Rlaser=70 % specchio di uscita Uscita laser Materiale Attivo Lampada di pompa (e.g. Xe o Kr) parete riflettente (Nd:YAG) (λ=1.064 μm)) 34/52 Laser a stato solido end-pumped (esempio specifico con il Nd:YAG) Rlaser=100 % Tpompa>90 % specchio Pompa P a diodo AlGaAs λ=808 nm ottiche di accoppiamento Nd sostituisce Y all'1% nella matrice cristallina Materiale Attivo Rlaser=90 % specchio di uscita Uscita laser Nd:YAG λ=1.064 μm Yttrium Aluminum Garnet YAG ≡ Y3Al5O12 ittrio + allumina ( Y + Al2O3 ) 35/52 Caratteristiche materiale attivo (il cristallo di Nd:YAG: 1%-atomico =0.725%-peso) (NIR) (4 livelli) (molto lungo) (molto buona) (alcune ppm) ( d t lente (modesta l t ttermica) i ) (elevata) 36/52 Pp = Pp,0 exxp (-αl) Assorbimento del Nd:YAG Lo spettro di assorbimento presenta un forte picco a circa 808 nm 37/52 Pompa ottica: diodi vs lampada Spettri di emissione di lampade e diodi per pompa ottica di Nd:YAG Fig. g 6.6 p pag. g 207 •L efficienza spettrale della pompa a diodo [ ] (Δν ~ 10 nm) •L’efficienza è molto maggiore che per la lampada [ ] (Δν ~ 200÷500 nm) •L’energia di pompa non utilmente assorbita produce calore l in i eccesso (Ælente (Æl t ttermica i e anche h danni d i irreversibili) i ibili) 38/52 Geometrie di pompa: lampada vs diodi Pompaggio trasversale a una, due, e più lampade Pompaggio trasversale a diodi per una barretta di Nd:YAG Fig. 6.1 pag. 204 Fig. 6.15 pag. 220 Fig. 6.2 pag. 205 Distribuzione spaziale della pompa nel mezzo attivo Fi 6.16 Fig. 6 16 pag. 220 Fig. 6.3a pag. 205 Pompa: 150 W Laser: 62 W CW TEM00 39/52 Modi longitudinali g e banda di g guadagno g ToG curva di guadagno del materiale attivo distanza in frequenza c/2L /2L il laser non ha singolo modo (e frequenza) di oscillazione λ2/2L (lunghezze d'onda risonanti) λ modi del risonatore Potranno oscillare, anche simultaneamente, tutti i modi longitudinali (MLM) con abbastanza guadagno. guadagno Tipicamente oscillano quelli più vicini al picco della curva di guadagno 40/52 Selezione del SLM ToG 1 modo laser singolo modo longitudinale c/2L modi del risonatore Filtro ottico (passa banda) con Δν<c/2L esempio: Fabry-Perot etalon attenzione a FSR>GFWHM curva di guadagno del materiale attivo ν 41/52 Laser a semiconduttore single single-mode mode Distributed Feed-Back (DFB) FP poco usato Distributed Bragg Reflector (DBR) VCSEL SLM grazie al filtraggio spettrale nel risonatore ottico “monolitico” 42/52 CS3 CS9 CS11 Laser a 1.5 μm narrow narrow-linewidth linewidth Laser a cavità estesa (ECLD) Laser a Er in fibra L Laser Er-Yb E Yb di tipo ti bulk b lk 43/52 Diapositiva 43 CS3 incluso questo lucido è terminata la 3a lez 04-05 in aula GR.1.4 CS9 incluso questo lucido è terminata la 2a lez 05-06 in aula F.1.2 CS11 incluso questo lucido è terminata la 2a lez 07-08 in aula E.G.5 Cesare Svelto; 24/03/2005 Cesare Svelto; 22/03/2006 Cesare Svelto; 18/03/2008 Laser impulsati: Q Q-switching switching A basso Q si può salire di molto con l’inversione tt d un ottenendo ΔN ben superiore a ΔNth meccanico on/off e.g. 1 Hz ( i t pulse) (giant l ) Tutta l’energia di pompa accumulata nel materiale attivo viene liberata q quando il risonatore “è allineato” (ad alto Q) intervallo τp tra impulsi successivi: dipende dallo switch durata dell’impulso Δτp: dipende dal mat. attivo (10 ns) duty cycle (Δτp/τp) basso ⇒ potenza di picco alta (MW) elettro-ottico l tt tti 1 kHz “high gain” acusto-ottico 10-100 kHz “low gain” 44/52 Laser impulsati: mode locking modi longitudinali agganciati in fase τp = 2L/c (round trip) frep=1/τp (100 MHz – 10 GHz) Δτp = 1/Blaser (10 ps – 100 fs) Ppeak molto l alta l (anche ( h >GW) G ) 45/52 Laser (in mode locking) a femtosecondi τp = Lf /c (round trip) frep=1/τp (250 MHz) Lf = τp⋅c = τp / f = 1.2 m Δτp = 1/Blaser (<90 fs e.g. 80 fs) Pave = 10 mW / 400 mW (e.g. (e g 200 mW) Pp=Pave [Trep/τp]=200 mW [4 ns/80 fs]= =100 kW (con Pelet=100 W) 46/52 Applicazioni dei laser a femtosecondi 47/52 Proprietà del laser a Nd:YAG • Livelli energetici ione Nd3+ in matrice YAG ( Y3Al5O12 ) 730 nm 808 nm 4F τ ≅ 100 ns 5/2 4F pompa 946 nm 4I 3/2 11/2 τ ≅ 100 ns 4I • • • transizione laser 1.064 μm τ = 0.23 ms Energia >> kT 9/2 Drogaggio g gg dell’ordine di 1-2 % ((Nd3+ sostituisce Y3+) Banda di guadagno Δν = 125 GHz (∼0.4 nm) [40× in vetro] Efficienza differenziale 33÷55 % (lampade) e >20 20 % (diodi) 48/52 Laser a Nd:YAG impulsato λ =c ⇒ λν Δλ λ =− Δν ν λ ∼ 1 μm e ν ∼ 300 THz μm ΔλYAG ∼ 0.4 0 4 nm e Δλglass ∼ 40× 40 ΔλYAG ∼ 16 nm Δλ 0.4 nm Δν YAG = − ν≈ ⋅ 300 THz ≅ 120 GHz ≈ 125 GHz λ 1064 nm Δλ 16 nm Δν glass = − ν≈ ⋅ 300 THz ≅ 4800 GHz ≈ 5 THz λ 1064 nm 1 Δτ p,YAG ≈ ≈ 8 ps Operando in regime Δν YAG di mode-locking d l ki sii ha h 1 Δτ p,glass ≈ ≈ 200 fs Δν glass 49/52 ⇒ Caratteristiche dei Laser di impiego comune Laser λ (μm) P (W) He-Ne 0.632 (rosso) 10-3-10-2 0.1-1 0.1 100-2000 Nd YAG Nd:YAG 1 064 1.064 200 (CW) 107 (peak) 1 1 10 1-10 50000 0000 0.1 33 10000 1 10-20 10 20 50000 10-3 50 10-10000 CO2 10 Semiconduttore 0.45-1.6 104 (CW) 107 (peak) 101-3- 1 Dimensioni Efficienza η (%) (m) Costo (€) diode-pumped diode pumped Pp=10 9 W in mode-locking 50/52 Esempi di laser “comuni”: comuni : He He-Ne Ne He-Ne Laser System Power supply and ballast 100% Reflector BW BW 99% Reflector 51/52 Esempi di laser “comuni”: comuni : Nd:YAG 2× An ultra bright pointer is now on the market [class IIIA] ( 5 mW at the green 532 nm wavelength): an intracavity (∼5 frequency-doubled Nd:YVO4 laser with blocked IR. 52/52