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 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 classificati in base allo stato della materia del loro materiale laser (guadagno medio): laser a gas, liquidi, allo stato solido e persino al plasma.Ma è pratica comune usare il termine stato solido per riferirsi solo a 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 allo stato solido sotto forma di luce, piuttosto che sotto forma di elettricità.I primi laser a stato solido erano pompati 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 un'affidabilità eccezionale e vantaggi di durata, un 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 pompa 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 sono molto inferiori rispetto ai 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 sono rivestite per diventare gli specchi.Il cristallo laser stesso può essere a forma di asta, lastra o disco sottile.A causa del gran numero di diversi cristalli disponibili, ci sono molti diversi tipi di laser a stato solido attualmente in uso.Non è possibile descriverli tutti qui, e anche classificarli è difficile, poiché i laser a stato solido esistenti coprono uno spazio estremamente ampio di caratteristiche di uscita.Ma, ai fini di questa discussione, è utile suddividerli in tre grandi categorie: onda continua (CW) e larghezza dell'impulso di nanosecondi, impulso ultracorto e laser ultraveloce.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 di ittrio (Nd:YLF).L'output fondamentale del laser più potente per tutti questi cristalli è nell'infrarosso a circa 1 μm.Questi cristalli sono tutti in uso perché ciascuno produce caratteristiche operative leggermente diverse.Ad esempio, Nd:YVO4 è più adatto per laser pulsati ad alta potenza di picco e alta frequenza di ripetizione.Al contrario, Nd:YAG fornisce tipicamente un'energia di impulso totale maggiore a frequenze di ripetizione inferiori.Nd:YLF fornisce energie di impulso ancora più elevate, di solito a velocità 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 si stabilizzano tutti 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).Tuttavia, la maggior parte della lavorazione dei materiali e di altri laser industriali a stato solido sono azionati a impulsi.L'impulso 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, il q-switch è chiuso, impedendo alla luce di circolare all'interno della cavità laser.Durante questo periodo, l'energia della pompa fornita al cristallo laser si accumula in esso.Quindi il q-switch viene aperto rapidamente.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-switch 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 velocità di ripetizione da 10 Hz a circa 300 kHz.L'elevata potenza di picco raggiunta con il pulsare facilita anche l'uso di processi non lineari.Uno di questi è la conversione di frequenza che utilizza un cristallo per generare armoniche della frequenza della luce iniziale.Quindi, i laser a stato solido pulsati che producono 1064 nm possono essere moltiplicati in frequenza per produrre 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 pulsare un laser a stato solido è il blocco della modalità.Questo produce velocità di ripetizione nell'ordine di molte decine o centinaia di MHz.Quindi, per molte applicazioni, il laser sembra semplicemente essere acceso continuamente.Di conseguenza, queste sorgenti sono spesso denominate quasi-CW o QCW.Ma, ancora una volta, l'impulso 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 con lunghezza d'onda più corta che sono virtualmente CW.L'ispezione di 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 dei picosecondi e dei femtosecondi possono offrire vantaggi significativi per le attività di elaborazione di precisione più impegnative.Questi vantaggi includono la capacità di produrre strutture molto piccole praticamente senza zone di alterazione del calore, nonché la compatibilità con una gamma estremamente ampia di materiali, anche 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 bloccati in modalità ha energie di impulso troppo basse per gli usi di elaborazione dei materiali.Tuttavia, questa energia dell'impulso può essere aumentata attraverso l'amplificazione.Questo processo di solito inizia con un "pulse picker" per selezionare singoli impulsi dall'uscita laser bloccata in modalità ad alta frequenza di ripetizione (ad esempio, ogni decimo impulso).Questi impulsi vengono inviati a un amplificatore di spazio libero, più comunemente in una configurazione rigenerativa o multipass.È possibile utilizzare più di uno stadio amplificatore per raggiungere una potenza ancora maggiore.Sebbene questo approccio possa sembrare complesso, i laser industriali a impulsi ultracorti (USP) commerciali sono estremamente affidabili, grazie al pompaggio a diodi, all'attenta progettazione opto-meccanica e ai rigorosi protocolli di assemblaggio.I laser commerciali USP a picosecondi in genere forniscono larghezze di impulso inferiori a 15 ps e 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 commerciali USP 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 fondamentali 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 tipicamente larghezze di impulso più brevi e molto più controllo sui parametri di uscita, tra cui lunghezza d'onda, larghezza di impulso e altro.La chiave per ottenere queste ampiezze di impulso estremamente brevi consiste nell'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 in genere un laser a stato solido a frequenza doppia, CW, pompato a diodi.Recentemente l'itterbio si sta rivelando un'alternativa popolare a 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 dei microprocessori.Di conseguenza, sono estremamente affidabili e la maggior parte delle regolazioni dell'output vengono eseguite 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 speciale.La tecnologia a stato solido è stata letteralmente con l'industria dei laser sin dal primo giorno.Le continue innovazioni che offrono prestazioni maggiori, oltre a una maggiore affidabilità e costi operativi inferiori, continuano a mantenere i laser a stato solido pertinenti e impiegati in modo redditizio.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.Un approccio ispirato agli insetti alle superfici antibatteriche prende il voloIl Lidar è necessario per i veicoli autonomi?È possibile stampare transistor ad alte prestazioni in perovskite5 brief tecnici che ripensano a come potenziare l'elettronicaÈ possibile prevedere la durata della batteria dell'auto?Combattere il COVID-19 con Clean Air TechSistema di misurazione dell'aspetto totale per applicazioni automobilisticheUtilizzo dell'approccio di ingegneria dei sistemi basato su modelli per lo sviluppo di veicoliTecnologia termostatica: migliora l'efficienza del sistema con un controllo termico automatico e precisoEcco un'idea: come prendere le decisioni migliori (sulla luna)Create the Future Design Contest: Success Story — Reinventare la mobilitàLa nanotecnologia ripara i danni ai motori delle automobiliL'intelligenza artificiale per gli astronauti monitora i pazienti a casaIl radar ottico ViDAR offre una nuova capacità di ricerca marittima3 sfide con l'adozione di motori alimentati a idrogenoInviando le tue informazioni personali, accetti che SAE Media Group e sponsor del settore accuratamente selezionati di questo contenuto possano contattarti e di aver 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 Brief Media Group