Un primer su Solid

Nov 17, 2023

Il primo laser mai costruito fu 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, servendo una vasta gamma di applicazioni scientifiche, industriali, aerospaziali, della difesa, mediche e delle scienze della vita.

I laser sono generalmente 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 in 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 viene poi convertito in luce laser. Il cristallo non è conduttivo, quindi l'energia di pompaggio viene praticamente sempre fornita ai mezzi di guadagno a stato solido sotto forma di luce, anziché sotto forma di elettricità. I primi laser a stato solido venivano pompati da lampade flash. La situazione è cambiata radicalmente con l’introduzione del pompaggio laser a diodi negli anni ’80.

I laser a diodi forniscono un'intensa sorgente 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 straordinaria affidabilità e vantaggi in termini di durata, ingombro ridotto (dimensioni) e coerenza operativa.

Tuttavia, il pompaggio della lampada viene ancora utilizzato con alcuni cristalli laser a stato solido. Questo perché i laser a stato solido pompati a lampada possono produrre energie di impulso molto elevate. Inoltre, il prezzo di acquisto tipico e il costo per watt della potenza della pompa della lampada sono molto inferiori rispetto a quelli dei diodi.

I risonatori laser a stato solido sono per lo più configurati in modo tradizionale. Vale a dire, il materiale di guadagno viene posizionato tra due specchi per formare una cavità ottica. A volte l'estremità del cristallo laser viene rivestita per diventare lo specchio. Il cristallo laser stesso può avere la forma di un'asta, una lastra o un disco sottile.

A causa del gran numero di cristalli diversi disponibili, esistono attualmente molti tipi diversi di laser a stato solido 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 nell'ordine dei 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 ittrio e litio (Nd:YLF). L'emissione 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 in genere un’energia di impulso totale più elevata a frequenze di ripetizione inferiori. Nd:YLF fornisce energie di impulso ancora più elevate, solitamente a velocità di ripetizione ancora più basse.

Esistono anche diversi cristalli laser che utilizzano droganti di olmio, tulio, itterbio o erbio invece del Nd. I cristalli Er:YAG, Tm:YAG, Ho:YAG lasano tutti a circa 2 μm. Questa lunghezza d'onda è fortemente assorbita dai tessuti viventi contenenti acqua, rendendo questi tipi di laser utili per una varietà di applicazioni mediche.

La maggior parte di questi cristalli possono funzionare in onda continua (CW). Ma la maggior parte dei laser industriali a stato solido e della lavorazione dei materiali funzionano a impulsi. La pulsazione aumenta la potenza di picco, che è fondamentale per superare la soglia di ablazione (potenza minima necessaria per sciogliere o vaporizzare) per molti materiali, in particolare i metalli, o per produrre un cambiamento di colore della superficie per la marcatura.