Laser: comprendere le nozioni di base

L'attuale dispositivo Q-switch è un modulatore acusto-ottico o un modulatore elettro-ottico (EOM). Entrambi utilizzano cristalli in cui un campo elettrico applicato produce una certa perturbazione delle proprietà ottiche del cristallo. Nel caso dei modulatori acusto-ottici, il campo elettrico applicato è una tensione a radiofrequenza che produce un'onda sonora ad alta frequenza nel cristallo. Questa onda sonora diffrange i fotoni dal laser e impedisce l'amplificazione del laser. Gli EOM utilizzano invece un'alta tensione applicata che modifica l'indice di rifrazione del cristallo e altera la polarizzazione della luce in entrata; una combinazione appropriata di ottiche sensibili alla polarizzazione può essere posizionata nella cavità per impedire la circolazione della luce con polarizzazione alterata. Altri tipi di laser, come i laser ad eccimeri, non richiedono un Q-switch per produrre impulsi di nanosecondi ma si affidano piuttosto a un transitorio impulso di pompa: gli impulsi laser ad eccimeri vengono prodotti eccitando la miscela di gas nobile/alogeno con una scarica elettrica potente e breve. I laser Ti:zaffiro possono anche produrre impulsi di nanosecondi se vengono pompati con un impulso di luce verde di nanosecondi prodotto da un laser YAG Q-switched a frequenza raddoppiata. Questo metodo è chiamato commutazione del guadagno perché viene modificato direttamente il guadagno della cavità anziché la perdita della cavità. Oltre a un gran numero di applicazioni industriali, i laser Q-switched hanno importanti applicazioni nella ricerca scientifica. Uno sta pompando amplificatori ultraveloci in Ti:zaffiro (descritti nella sezione seguente) utilizzando l'uscita a frequenza raddoppiata (verde) di un Nd:YAG o Nd:YLF Q-switched a 1-10 kHz. Un altro utilizza il laser YAG o YLF per produrre energie per impulso nell'intervallo joule a 1-100 Hz. Questi laser sono spesso utilizzati con generatori ottici non lineari in grado di produrre lunghezze d'onda regolabili nella regione UV, visibile e IR, consentendo studi risolti nel tempo e nella lunghezza d'onda. Al giorno d'oggi la maggior parte dei laser YAG o YLF che funzionano a >100 Hz sono pompati a diodi, mentre i sistemi ad alta energia a 10 Hz richiedono il pompaggio con una lampada flash perché i diodi non sono adatti a produrre impulsi di uscita ad alta energia. Per alcune applicazioni scientifiche, potrebbe essere desiderabile avere un laser Q-switched a larghezza di linea stretta. In alcuni casi, ciò può essere ottenuto utilizzando una combinazione di reticoli ottici ed etalon; in altri casi, il laser può essere “seminato” con un laser a larghezza di linea stretta CW o Q-switched a bassa potenza che è più facile da controllare rispetto allo stadio a potenza maggiore. Questo approccio, chiamato “injection seeding”, utilizza un MOPA (oscillatore principale, amplificatore di potenza), dividendo concettualmente la selezione della larghezza di linea e la generazione di alta potenza in due fasi progettate in modo ottimale per i due scopi.Laser ultraveloci I laser ultraveloci sono generalmente definiti come laser che producono impulsi nell'intervallo da 5 fs a 100 ps (1 femtosecondo = 10-15 secondi). Se un laser è in grado di oscillare in molti modi longitudinali, tali brevi impulsi possono essere prodotti con la cosiddetta tecnica del mode-locking. Con questa tecnica, i modi sono bloccati in fase (regime di mode-locking) e la loro interferenza coerente fa sì che il campo ottico intracavità collassi in un singolo impulso che viaggia avanti e indietro nella cavità laser. Ogni volta che l'impulso raggiunge lo specchio di uscita, una parte di esso viene accoppiata e diventa disponibile.

La fisica mostra che maggiore è il numero dei modi che interferiscono, minore è la durata dell'impulso (Figura 7). Poiché larghezze di banda del laser più grandi supportano un numero maggiore di modalità oscillanti, la durata dell'impulso è inversamente proporzionale alla larghezza di banda del materiale del guadagno laser. In assenza di dispersione, questi impulsi sono limitati in larghezza di banda nel tempo, cioè hanno la lunghezza più breve possibile per una data larghezza di banda.

Gli impulsi ultraveloci sono molto utili nella ricerca; Grazie alla breve durata dell'impulso e all'elevata potenza di picco, l'avvento dei laser a femtosecondi negli anni '90 ha consentito ricerche pionieristiche che hanno portato all'assegnazione di premi Nobel per la femtochimica (spettroscopia pompa-sonda) e la generazione di pettini ottici. I laser a femtosecondi hanno anche consentito tecniche di eccitazione multifotone (MPE) che forniscono immagini tridimensionali del tessuto vivo. L’MPE è ora ampiamente utilizzato in diverse aree della ricerca biologica, in particolare nelle neuroscienze.