Il primo laser mai costruito è stato un laser a rubino a stato solido costruito da Theodore Maiman nel 1960. Ma i laser a stato solido non sono una curiosità storica.Piuttosto, la tecnologia è cresciuta e si è diversificata nel corso degli anni, al servizio di una vasta gamma di applicazioni scientifiche, industriali, aerospaziali, della difesa, mediche e delle scienze della vita.I laser sono ampiamente classificati in base allo stato della materia del loro materiale laser (mezzo di guadagno): laser a gas, liquido, a stato solido e persino al plasma.Ma è pratica comune usare il termine stato solido per riferirsi solo ai laser che utilizzano un mezzo di guadagno di cristallo o vetro.Questo materiale ospite è solitamente drogato con ioni per supportare la popolazione e quindi l'azione del laser.Il pompaggio è il processo di fornitura di energia grezza al cristallo laser, che poi converte in luce laser.Il cristallo non è conduttivo, quindi l'energia della pompa viene praticamente sempre fornita ai mezzi di guadagno a stato solido sotto forma di luce, piuttosto che sotto forma di elettricità.I primi laser a stato solido erano alimentati da lampade flash.Questa situazione è cambiata radicalmente con l'introduzione del pompaggio laser a diodi negli anni '80.I laser a diodi forniscono un'intensa fonte di luce e la lunghezza d'onda può essere adattata all'assorbimento del mezzo di guadagno.Ciò si traduce in un laser molto efficiente in cui una quantità relativamente grande dell'energia originariamente fornita al laser (in particolare l'elettricità utilizzata per alimentare i diodi) finisce per essere convertita in luce laser.Inoltre, il pompaggio a diodi offre enormi vantaggi in termini di affidabilità e durata, ingombro ridotto (dimensioni) e coerenza operativa.Tuttavia, il pompaggio della lampada è ancora utilizzato con alcuni cristalli laser a stato solido.Questo perché i laser a stato solido con pompaggio a lampada possono produrre energie di impulso molto elevate.Inoltre, il prezzo di acquisto tipico e il costo per watt di potenza della pompa della lampada è molto inferiore a quello dei diodi.I risonatori laser a stato solido sono per lo più configurati in modo tradizionale.Vale a dire, il materiale di guadagno è posto tra due specchi per formare una cavità ottica.A volte le estremità del cristallo laser vengono rivestite per diventare lo specchio o gli specchi.Il cristallo laser stesso può essere in forma di bastoncino, lastra o disco sottile.A causa dell'elevato numero di diversi cristalli disponibili, attualmente sono in uso molti tipi diversi di laser a stato solido.Non è possibile descriverli tutti qui, e persino categorizzarli è difficile, poiché i laser a stato solido esistenti coprono uno spazio estremamente ampio di caratteristiche di output.Ma, ai fini di questa discussione, è utile suddividerli in tre grandi categorie: onda continua (CW) e larghezza di impulso di nanosecondi, impulso ultracorto e laser ultraveloci.I laser a stato solido più comuni di questa categoria sono basati su cristalli di neodimio, solitamente drogati con granato di ittrio e alluminio (Nd:YAG), ortovanadato di ittrio (Nd:YVO4) o fluoruro di litio e ittrio (Nd:YLF).L'uscita fondamentale del laser più forte per tutti questi cristalli è nell'infrarosso a circa 1 μm.Questi cristalli sono tutti in uso perché ciascuno produce caratteristiche operative alquanto diverse.Ad esempio, Nd:YVO4 è più adatto per laser pulsati ad alta potenza di picco e frequenza di ripetizione elevata.Al contrario, Nd:YAG fornisce in genere un'energia di impulso totale più elevata a frequenze di ripetizione inferiori.Nd:YLF fornisce energie di impulso ancora più elevate, di solito a frequenze di ripetizione ancora più basse.Esistono anche diversi cristalli laser che utilizzano droganti di olmio, tulio, itterbio o erbio invece di Nd.I cristalli Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG sono tutti laser a circa 2 μm.Questa lunghezza d'onda è fortemente assorbita dal tessuto vivente contenente acqua, rendendo questi tipi di laser utili per una varietà di applicazioni mediche.La maggior parte di questi cristalli può funzionare a onda continua (CW).Ma la maggior parte della lavorazione dei materiali e di altri laser industriali a stato solido funzionano a impulsi.La pulsazione aumenta la potenza di picco, che è fondamentale per superare la soglia di ablazione (potenza minima necessaria per fondere o vaporizzare) per molti materiali, in particolare metalli, o per produrre un cambiamento di colore della superficie per la marcatura.Il metodo di pulsazione più utilizzato è il q-switching, tipicamente implementato utilizzando un deflettore acusto-ottico che funge da otturatore veloce all'interno del risonatore laser.Innanzitutto, l'interruttore q è chiuso, il che impedisce alla luce di circolare all'interno della cavità laser.Durante questo periodo, l'energia della pompa fornita al cristallo laser si accumula al suo interno.Quindi l'interruttore q viene rapidamente aperto.Ciò consente al laser di funzionare.L'energia immagazzinata viene rapidamente convertita in luce laser ed emessa sotto forma di un breve impulso.Questo processo si ripete rapidamente.La maggior parte dei laser a stato solido q-switched comunemente usati producono larghezze di impulso nell'intervallo di decine di nanosecondi.In genere offrono potenze medie di decine o centinaia di watt (nell'infrarosso) e frequenze di ripetizione comprese tra le decine di Hz e circa 300 kHz.L'elevata potenza di picco ottenuta con la pulsazione facilita anche l'uso di processi non lineari.Una chiave di queste è la conversione di frequenza che utilizza un cristallo per generare armoniche della frequenza della luce iniziale.Pertanto, i laser a stato solido pulsati che producono 1064 nm possono essere moltiplicati in frequenza per emettere 532 nm (generazione di seconda armonica o SHG), 355 nm (generazione di terza armonica o THG) o anche 266 nm (generazione di quarta armonica o FHG).La conversione di frequenza non è impossibile con i laser CW, ma non è così semplice da implementare.Un altro modo per far pulsare un laser a stato solido è il blocco della modalità.Ciò produce frequenze di ripetizione di molte decine o centinaia di MHz.Quindi, per molte applicazioni, il laser sembra semplicemente essere acceso continuamente.Di conseguenza, queste fonti sono spesso indicate come quasi-CW o QCW.Ma, ancora una volta, la pulsazione aumenta la potenza di picco, che a sua volta consente la conversione di frequenza, fornendo così un modo relativamente semplice per ottenere sorgenti laser a stato solido di lunghezza d'onda più corta che sono virtualmente CW.L'ispezione dei wafer a semiconduttore è un'applicazione importante per questi tipi di laser.Mentre i laser a stato solido con larghezza di impulso di nanosecondi sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei materiali, gli impulsi nel regime di picosecondi e femtosecondi possono offrire vantaggi significativi per le attività di lavorazione di precisione più impegnative.Questi vantaggi includono la capacità di produrre strutture molto piccole praticamente senza zone influenzate dal calore, nonché la compatibilità con una gamma estremamente ampia di materiali, anche quelli trasparenti, come il vetro.Il blocco della modalità può essere utilizzato per produrre larghezze di impulso di circa 10 ps o inferiori.Tuttavia, la maggior parte dei laser a modalità bloccata ha energie di impulso troppo basse per gli usi di lavorazione dei materiali.Tuttavia, questa energia dell'impulso può essere aumentata attraverso l'amplificazione.Questo processo di solito inizia con un "selettore di impulsi" per selezionare i singoli impulsi dall'uscita laser bloccata in modalità ad alta frequenza di ripetizione (ad esempio, ogni decimo impulso).Questi impulsi vengono inviati in un amplificatore nello spazio libero, più comunemente in una configurazione rigenerativa o multipass.È possibile utilizzare più di uno stadio di amplificazione per raggiungere una potenza ancora maggiore.Sebbene questo approccio possa sembrare complesso, i laser a impulsi ultra-corti (USP) industriali commerciali sono estremamente affidabili, grazie al pompaggio a diodi, all'attenta progettazione opto-meccanica e ai rigorosi protocolli di assemblaggio.I laser USP a picosecondi commerciali in genere forniscono larghezze di impulso inferiori a 15 ps e una potenza fino a 100 W nell'infrarosso.È disponibile anche l'uscita verde e UV.Esistono anche laser USP che hanno larghezze di impulso di centinaia di femtosecondi e un'uscita di decine di watt, anche nell'IR, nel visibile e nell'UV.I laser USP commerciali sono utilizzati in molte applicazioni di taglio e perforazione di microelettronica di precisione, per il taglio di moduli e display OLED, nella produzione di dispositivi medici e persino nell'orologeria.I laser a stato solido bloccati in modalità per applicazioni scientifiche sono generalmente indicati come laser ultraveloci.Con larghezze di impulso comprese tra 10 fs e 200 fs, questi laser sono diventati strumenti da lavoro per un'ampia gamma di indagini in fisica, chimica, biologia e scienza dei materiali.I laser ultraveloci si distinguono dai laser USP industriali in quanto offrono in genere larghezze di impulso più brevi e un controllo molto maggiore sui parametri di uscita, tra cui lunghezza d'onda, larghezza di impulso e altro.La chiave per ottenere queste larghezze di impulso estremamente brevi è utilizzare un cristallo di guadagno che emette su una gamma molto ampia di lunghezze d'onda.Più ampio è lo spettro di uscita, più brevi possono essere gli impulsi.Il materiale più popolare attualmente in uso è Ti:Sapphire.Questo materiale deve essere pompato con luce verde, quindi la sorgente della pompa è tipicamente un laser a stato solido a frequenza raddoppiata, CW, pompato a diodi.Recentemente l'itterbio si sta dimostrando una popolare alternativa al Ti:Sapphire.Sebbene le sorgenti laser ultraveloci scientifiche più sofisticate e ad alte prestazioni siano piuttosto complesse, questi prodotti sono maturi e hanno sfruttato tutti i vantaggi della tecnologia a microprocessore.Di conseguenza, sono estremamente affidabili e la maggior parte delle regolazioni dell'output viene eseguita tramite il controllo del software.Questa operazione chiavi in ​​mano ha consentito agli scienziati di molte discipline di utilizzarli come farebbero con qualsiasi altro strumento, senza dover sviluppare alcuna competenza specifica.La tecnologia a stato solido è stata letteralmente con l'industria del laser sin dal primo giorno.Le innovazioni in corso che offrono maggiori prestazioni, nonché una maggiore affidabilità e minori costi operativi, continuano a mantenere i laser a stato solido rilevanti e impiegati con profitto.Questo articolo è stato scritto da Jörg Heller, Product Line Manager, Coherent, Inc. (Santa Clara, CA).Per maggiori informazioni, visita qui .Questo articolo è apparso per la prima volta nel numero di marzo 2022 di Photonics & Imaging Technology Magazine.Leggi altri articoli di questo numero qui.Leggi altri articoli dagli archivi qui.LiDAR avanzato: sulla strada per la guida parzialmente automatizzata SAE di livello 3Materiale AI che si adatta all'ambiente circostanteI ricercatori della NYU Tandon esplorano un futuro più privo di attritiI coperchi delle tazze da asporto possono aiutare i droni a percepire il pericoloIl grafene potenzia l'elettronica flessibile e indossabileLa prossima fase del motore a combustione interna: innovazioni e priorità di sviluppoSicurezza ed efficienza con il controllo del movimento del veicoloProgettazione e simulazione di sistemi termici sostenibili e ad alte prestazioniCome analizzare le prestazioni termiche dei veicoli spaziali con COMSOL®Soluzioni avanzate per aumentare le capacità di portata e ridurre i costi in ToF e FMCW LiDARSviluppare la tecnologia dei sensori medici all'avanguardiaTrasmettere energia pulita dallo spazioLe firme spettrali a microonde rivelerebbero oggetti nascostiCinque tecniche per alleggerire: fare di più con menoImaging termografico Selezione di una telecamera IR con il rivelatore giustoInviando le tue informazioni personali, accetti che SAE Media Group e gli sponsor del settore accuratamente selezionati di questo contenuto possano contattarti e che tu abbia letto e accettato l'Informativa sulla privacy.Puoi contattarci all'indirizzo privacy@saemediagroup.com.Si può annullare l'iscrizione in qualsiasi momento.© 2009-2022 Tech Briefs Media Group