Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche

1. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche • Il Neodimio come materiale attivo • Cristalli laser • Ceramiche laser • Parametri di pompa • Conclusioni Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

2. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Il Neodimio come materiale attivo Terra rara Simbolo: Nd Numero atomico: 60 Termine spettroscopico: 4I9/2 Usato come dopante attivo in materiali vetrosi, cristallini, ceramici Usato come dopante nella forma di ione trivalente Nd3+ In YAG sostituisce lo ione Y3+ di cui ha stessa valenza e volume Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

3. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Il Neodimio come materiale attivo Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

4. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Cristalli singoli Cristalli laser Policristallino “grani” in materiale amorfo (persenza di separazione tra grani) Ceramiche laser Reticolo continuo su tutto il campione (no superfici intergrano) Monocristallino YAG Yttrium Aluminium Garnet Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

5. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Cristalli laser • Proprietà macroscopiche dei cristalli laser • Devono avere alta trasparenza nelle regioni di pompa ed emissione laser • Concentrazione massima di dopanti • Rsistenza meccanica e dimensioni massime • Per laser di potenza: alta contuttività termica • Isotropia ottica o birifrangenza (filtro frequenze di emissione spontanea) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

6. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser • Le capacità dei materiali ceramici laser • grandi dimensioni • migliore versatilità nella composizone(laser monolitico) • migliore concentrazione di dopanti • stesse qualità ottiche dei cristalli singoli Per Nd:GSGG.pompaggio diretto al livello 4F3/2 -> potenza di pompa assorbita + 10% 4F3/2 -> 4I11/2 calore generato - 30% 4F3/2 -> 4I9/2 calore generato -50% rispetto Nd:YAG pompa 4F5/2 Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

7. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser • I materiali trasparenti, policristallini prodotti con tecniche ceramiche • corpi molto densi • grani cristallini di dimensione uniforme • strettamente imppacchettati e orientati casualmente • volume molto piccolo dei pori inter-grani ≈ nm La dimensione dei grani ceramici è importante poiché essa può influenzare le proprietà ottiche, meccaniche e termiche del materiale ceramico. Essa determina inoltre il rapporto tra la superficie e il volume dei grani controllando l’estensione di possibili effetti di superficie deleteri. Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

8. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser Primo tentativo: sinterizzazione tradizionale La sinterizzazione è un trattamento termico di un compatto di polveri al di sotto del punto di fusione del componente principale: si parte da piccole particelle solide, che poi sono fatte "saldare" tra loro scaldandole. La temperatura raggiunta è compresa tra 0,7 e 0,9 volte la temperatura di fusione. La sinterizzazione è un processo spontaneo che porta all’abbassamento dell’energia libera del sistema. Se il sistema non cambia composizione chimica e stato energia libera = energia delle superfici Sinterizzazione = minimizzazione delle superfici Il risultato fu di ottenere un materiale traslucido con una grande densità di pori inter-grani e ciò pregiudicò l’emissione laser Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

9. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Ceramiche laser 1995, Ikesue et al. (Y3O3 ) dimostrarono che la densità dei pori poteva essere drasticamente ridotta con la compressione isostatica prima della sinterizzazione sotto vuoto finale a 1700°C pori -> decine di nanometro HIP(Hot Isostatic Pressing) La polvere viene inserita in un contenitore e sottoposta ad altissime temperature sotto vuoto per rimuovere aria e particelled’acqua. Il contenitorevienesigillato e l’applicazionedialtepressionitramite gas inerte ad alte temperature rimuove le porosità interne. Oggi è stata sviluppata una nuova classe di metodi basati su reazioni allo stato liquido per creare un precursore contenente tutti i cationi del composto finale. Il composto così ottenuto è amorfo, ma dopo un trattamento con calore a 600-800°C evolve in un materiale nanocristallino che può essere trasformato in ceramica trasparente con grani di qualche micron tramite sinterizzazione sotto vuoto ad alta temperatura senza bisogno della compressione isostatica. Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

10. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa In questatrattazioneverra’ utilizzato un laser CW 4 livelli con emissione laser 1064 nm e potenzeraggiuntemassimedi 511 W con pompatrasversale L’ emissione laser CW e’ caratterizzatada 2 parametrichedipendonodallapotenzadipompaassorbita e in particolaredaiseguentiparametridiefficienza. Sogliadiemissione (threshold) Slope efficency L’ottimizzazionemira ad aumentare la pendenza del graficopotenzaincidentecontropotenzaemessa e ad avvicinareilpiu’ possibilelintercettasull’assepotenzaincidente a 0 (diminuire threshold) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

11. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa • ηppump level efficiency esprime la frazionedegliioni laser eccitati al livelloenergeticodipompachesidiseccitano al livellodiemissione • ηvsuperposition efficiencytrail volume del modo laser e il volume dellaradiazionedipompa • ηsestimulated emission efficiency la frazionediionieccitatinellivellodiemissionechesidiseccitano per emissionestimolata • ηqeemission quantum efficiency lafrazione di ioni eccitati che si diseccitano per processo radiativo (luminescnza) in assenza di radiazione laser • τradspontaneous radiative lifetime of the emitting level • σecross-section per illivellodiemissione • flcoefficientediemissionedicalore per illivellodiemissione • Ala diemensione del fasciodipompa Il rapportotra le lunghezzad’ondadipompa e diemissione Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

12. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa La frazionedipotenzaassorbitachevieneconvertita in emissione laser e’ data da Solo una parte degliionieccitati al livellodiemssioneparteciperannoall’emissione laser questafrazionevienedefinita come efficienza laser La frazionedipotenzaassorbitachevieneconvertita in emissioneluminescente Dove fth= Pth/P rappresenta la frazionedidegliionieccitatiallasoglia laser La frazionedipotenzaassorbitachevieneconvertita in calorequindidiventa Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

13. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa I due casilimite • Generazionedicalore in assenzadiemissione laser (ηl = 0) • Generazionedicalore con altaemissione laser(ηl = 1) Mostrano come a parita’ diefficienzadipompa, aumentandoirapporti Diminuisce la formazionedicalore Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

14. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa Unalunghezzad’ondadipompapiùvicinapossibile al quella del laser determineràparametrimigliori e menogenerazionedicalore Questo e’ veroperche’ illivellodipompapiu’ lontanoimplica un saltoenergetico ad un livelloorbitalesuperiore a quellodell’emissione laser. Il conseguentedecadimento non radiativo produce calore. Quindieliminandoil quarto livello e pompando al livellodiemissioneaumentoilrapportoηqp (questoperche’ andando ad un livellopiu’ basso con la pompasono a lambda maggiore e quindipiu’ vicinoalla lambda diemissione) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

15. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa Tradizionalmenteil laser Nd:YAGvienepompato con λ≈ 809 nm nellivellofortementeassorbente4F5/2 emissione a 1064 nm dallvello4F3/2. La differenzadienergiatra I due livellienergeticivienedispersa in calore. • Neimaterialiceramicivineneaumenetatal’efficienzadiassorbimento al livello4F3/2 • aumentando la concentrazione di dopanti 1% -> 9% • costruendo barre piu’ larghe • Ricircolando la radiazionedipompa Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

16. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Parametri di pompa • La transizione4I9/2 -> 4F3/2 ha 2 λpossibili: • 869 nm spessoredellariga < 1 nm (1 at.% Nd) • 885 nm centrodi un doppiopiccodilaghezza 2.5 nm Vienescelta la 885 nm perlasuamggioreefficienzaallealte temperature e per ilmigliorrapportoηqe Il laser CW 1064 nm, sotto pompaggiodiretto con 885 nm al livellodiemissionedi Nd3+ in ceramica YAG (with up to 6.8 at.% Nd, Ti:sapphire e diode laser pumping), ha mostratomiglioriparametri laser (slope efficency e threshold) rispetto al tradizionale con pompa a 809 nm 4 livelli. Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

17. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Conclusioni Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

18. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Extra Esiste un limitefisico all’ aumentodiconcetrazionedidopanti : cross-relaxation energy transfer L’ altaconcentrazionediNdpuo’ ridurrel’efficienzaquanticadiemissione a causa del trasferimentodienergiatraionidi Nd3+ (4F3/2 ,4I9/2)->(4I15/2, 4I15/2) Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe

19. Materiali laser : cristalli singoli, ceramiche Extra Master Ottica Applicata 2009 – Crescenzio Giuseppe