Tipi di laser 101: guida alle classificazioni dei laser

I laser possono essere classificati in vari modi, in genere in base al mezzo attivo, al metodo di eccitazione, alla modalità di uscita e alla gamma di lunghezze d'onda.

La classificazione per mezzo attivo divide i laser in laser a stato solido, a gas, a liquido e a semiconduttore.

Inoltre, i laser possono essere classificati in base alla loro uscita come onda continua o pulsata.

(1) Laser a stato solido

I laser a stato solido utilizzano materiali come il rubino, il vetro al neodimio e il granato di ittrio e alluminio (YAG), in cui una piccola quantità di ioni è uniformemente drogata nel cristallo o nel vetro ospite. Gli ioni drogati, noti come ioni attivi, sono responsabili delle emissioni laser. Gli ioni dei metalli di transizione, come il cromo (Cr³⁺) e ioni metallici di terre rare come il neodimio (Nd³⁺) e l'erbio possono fungere da ioni attivi.

Questi laser sono tipicamente eccitati dalla luce, con comuni sorgenti di luce pulsata, tra cui le lampade flash allo xeno, e sorgenti continue, come le lampade ad arco di kripton, le lampade al tungsteno di iodio e le lampade al rubidio di potassio. Nei laser di piccole dimensioni e di lunga durata, la sorgente di eccitazione può essere costituita da diodi a emissione luminosa o dalla luce solare. Alcuni nuovi laser a stato solido sono eccitati anche da altri laser.

I laser a stato solido vantano dimensioni compatte, robustezza, facilità d'uso ed elevata potenza di uscita. La loro potenza continua può superare i 100W, mentre la potenza di picco degli impulsi può arrivare fino a 10⁹W. Tuttavia, a causa della complessa preparazione del mezzo attivo, tendono a essere costosi.

(2) Laser a gas

I laser a gas utilizzano come mezzo attivo gas o vapori metallici, tipicamente contenuti in un tubo di scarica per generare ioni attivi. I principali metodi di eccitazione sono quelli elettrici, aerodinamici, fotonici e chimici, il più comune dei quali è quello elettrico.

In condizioni di scarica appropriate, le particelle di gas vengono eccitate selettivamente a un livello energetico superiore, creando un'inversione del numero di particelle tra questo e un livello energetico inferiore, che porta a transizioni di emissione stimolata. I laser a gas possono essere atomici, ionici, molecolari o a eccimeri.

I laser a gas molecolari utilizzano spesso laser a CO₂ come mezzo, che emette prevalentemente lunghezze d'onda infrarosse, le quali, a causa del loro elevato effetto termico, sono comunemente usate in taglio laserapplicazioni mediche e lavorazioni meccaniche, oltre che per la telemetria e la comunicazione. I laser a eccimeri emettono nell'ultravioletto e sono utilizzati nella lavorazione fine, nella fotolitografia e in medicina.

I laser a gas si caratterizzano per la loro semplicità costruttiva, il basso costo, la convenienza, la buona qualità del fascio e la capacità di funzionare in modo continuo e stabile per lunghi periodi. Sono il tipo di laser più vario e diffuso.

(3) Laser a liquido

I laser liquidi, noti anche come laser a coloranti, utilizzano coloranti organici come mezzo attivo disciolti in solventi come etanolo, acetone o acqua, ma possono anche funzionare in forma di vapore. I coloranti organici più comuni sono la rodamina, la cumarina e la ftalocianina, che consentono di generare diverse lunghezze d'onda laser nell'intervallo del visibile. I laser liquidi sono spesso pompati otticamente, sia da laser che da lampade flash.

La loro copertura di lunghezze d'onda va dall'ultravioletto all'infrarosso (da 321 nm a 1,168 μm), che può essere estesa all'ultravioletto del vuoto utilizzando tecniche di raddoppio della frequenza. I vantaggi dei laser liquidi includono l'emissione continua sintonizzabile in un ampio intervallo e sono utilizzati principalmente nella ricerca scientifica e nella medicina, come la spettroscopia laser, la fotochimica, la separazione isotopica e la fotobiologia.

(4) Laser a semiconduttore

I laser a semiconduttore, noti anche come diodi laser, utilizzano materiali semiconduttori come mezzo attivo. A causa delle differenze strutturali, il processo di generazione del laser è piuttosto unico per i vari tipi di materiali semiconduttori. I materiali attivi più comuni sono l'arseniuro di gallio (GaAs), il solfuro di cadmio (CdS), il fosfuro di indio (InP) e il solfuro di zinco (ZnS).

Esistono tre metodi di eccitazione principali: iniezione elettrica, eccitazione del fascio di elettroni e pompaggio ottico. I laser a semiconduttore sono classificati nei tipi a omo-giunzione, a singola etero-giunzione e a doppia etero-giunzione. I laser a omo-giunzione e a singola etero-giunzione funzionano generalmente come dispositivi a impulsi a temperatura ambiente, mentre i laser a doppia etero-giunzione possono funzionare in modo continuo a temperatura ambiente.

I laser a semiconduttore sono compatti, hanno una lunga durata e possono essere facilmente pompati con una semplice iniezione di corrente. La loro tensione e corrente di funzionamento sono compatibili con i circuiti integrati, consentendo l'integrazione monolitica. Inoltre, possono essere modulati direttamente a frequenze fino a 50-100 GHz per un'uscita laser ad alta velocità.

Grazie a questi vantaggi, i laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati per le comunicazioni laser, l'archiviazione ottica, i giroscopi ottici, la stampa laser, il rilevamento della distanza e le applicazioni radar.

(5) Laser a fibra

Laser a fibra sono un tipo di laser a stato solido con fibra drogata con terre rare come mezzo attivo. La sorgente di pompaggio di un laser a fibra è costituita da uno o più array di diodi laser ad alta potenza. La luce di pompa emessa viene accoppiata alla fibra drogata con terre rare attraverso una struttura di pompaggio specializzata. I fotoni alla lunghezza d'onda della pompa vengono assorbiti dalla fibra drogata, creando un'inversione di popolazione che porta all'emissione stimolata.

Le onde luminose emesse vengono riflesse dagli specchi del risonatore, oscillando per produrre l'uscita laser. I laser in fibra hanno un'elevata efficienza di accoppiamento, possono raggiungere facilmente un'alta densità di potenza e hanno un'eccellente dissipazione del calore, eliminando la necessità di ingombranti sistemi di raffreddamento. Vantano un'elevata efficienza di conversione, soglie basse, qualità superiore del fascio e larghezze di linea ridotte.

Inoltre, i laser a fibra hanno una cavità di risonanza priva di lenti ottiche, che garantisce un funzionamento senza manutenzione, un'elevata stabilità e una durata estremamente lunga, superiore a 100.000 ore. Di conseguenza, i laser in fibra stanno gradualmente sostituendo altri tipi di laser in applicazioni industriali come il taglio, la marcatura e la saldatura.