I principi dei laser

Cos'è la luce?

La luce è un tipo di "onda elettromagnetica". Le "onde elettromagnetiche" seguono uno standard di "lunghezza d'onda" e, a partire da quelle lunghe, possono essere suddivise in onde radio, raggi infrarossi, raggi visibili, raggi ultravioletti, raggi X e raggi gamma.

Cos'è il colore?

Quando le lunghezze d'onda della luce colpiscono un oggetto, quelle che vengono riflesse senza essere assorbite dall'oggetto vengono percepite dall'occhio umano (retina). In tal modo le riconosciamo come il "colore" dell'oggetto. L'indice di rifrazione cambia in base alla lunghezza d'onda, quindi la luce viene suddivisa. Di conseguenza, siamo in grado di riconoscere moltissimi "colori". Ad esempio, una mela (illuminata dalla luce del giorno, che include raggi di luce specifici che consentono all'uomo di vedere il colore rosso) riflette le lunghezze d'onda rosse della luce (da 600 a 700 nm) e assorbe tutte le altre. * Gli oggetti neri assorbono tutta la luce ed è per questo che appaiono neri.

Cos'è la luce visibile?

Le onde elettromagnetiche entro l'intervallo delle lunghezze d'onda che possono essere viste dall'uomo sono chiamate "raggi visibili". Nel caso delle lunghezze d'onda corte, i raggi visibili misurano da 360 a 400 nm, mentre in quello delle lunghezze d'onda lunghe misurano da 760 a 830 nm. L'occhio umano non può vedere lunghezze d'onda che sono più corte o più lunghe dei "raggi visibili".

Cos'è la luce visibile?

Differenze tra luce ordinaria e raggi laser

Le luci normali (lampade, ecc.) e i laser differiscono per quanto segue. I laser emettono fasci di luce ad alta direttività, il che significa che le onde della luce di cui si compongono viaggiano assieme in linea retta con una diffusione quasi nulla. Le sorgenti di luce ordinaria emettono onde di luce che si diffondono in tutte le direzioni. Le onde di luce in un raggio laser sono tutte dello stesso colore (una proprietà nota come monocromaticità). La luce ordinaria (come quella di una lampadina fluorescente) in genere è composta da diversi colori che si combinano e insieme appaiono bianchi.
Durante il loro percorso le onde di luce di un raggio laser oscillano con i loro picchi e avvallamenti in perfetta sincronizzazione. Questa caratteristica è nota come coerenza. Quando due raggi laser vengono sovrapposti l'uno sull'altro, i picchi e gli avvallamenti delle onde di luce di ciascun raggio si rinforzano ordinatamente a vicenda per generare un pattern di interferenza.

  Luce ordinaria Luce laser
Direttività
(Linea retta)
LampadinaLampadina LaserLaser
Monocromaticità Lunghezze d'onda non uniformiLunghezze d'onda non uniformi Lunghezze d'onda uniformiLunghezze d'onda uniformi
Coerenza Fase non uniformeFase non uniforme Picchi e avvallamenti sono allineati.Picchi e avvallamenti sono allineati.

Etimologia della parola laser

Il termine "laser" nasce come acronimo di "amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione".

I principi dei laser

Quando gli atomi (molecole) assorbono energia esterna, passano da un livello basso (stato di bassa energia) a un livello alto (stato di alta energia). Questo stato viene detto stato eccitato.
Questo stato eccitato è instabile e gli atomi cercheranno immediatamente di tornare a uno stato di bassa energia. Questo fenomeno viene detto transizione.
Quando si verifica, viene emessa una luce equivalente alla differenza di energia. Questo fenomeno è detto emissione naturale. La luce emessa si scontra con altri atomi che si trovano in uno stato eccitato simile, inducendo la transizione nello stesso modo. L'emissione indotta di questa luce è detta emissione stimolata.

I principi dei laser

Tipi di laser

I laser possono essere suddivisi in 3 tipi generali: a stato solido, a gas e a liquidi.

Il tipo di laser ottimale cambia a seconda dell'applicazione di lavorazione.

A stato solido

Nd: YAG
YAG (granato di ittrio e alluminio)

Lunghezza d’onda standard (1064 nm)

  • Marcatura per uso generico

Seconda armonica (532 nm) (Laser verde)

  • Marcatura leggera su wafer di silicio, ecc.
    Utilizzato per marcature e lavorazioni di precisione

Terza armonica (355 nm) (Laser UV)

  • Utilizzato per lavorazioni estremamente precise come la marcatura LCD e la lavorazione di fori VIA
    Lavorazione di cristalli liquidi: Taglio pattern del rivestimento
    Lavorazione di fori VIA: Realizzazione di fori nelle PCB
Laser YAG (Nd: YAG)
I laser YAG sono utilizzati per marcature per uso generico e per lavorazioni come la marcatura e la rifinitura non solo di materiali plastici ma anche di materiali metallici. Con una lunghezza d'onda della luce del vicino infrarosso di 1064 nm, questi laser non possono essere visti dall'occhio umano.
YAG è una struttura cristallina di ittrio (Y), alluminio (A) e granato (G). Drogando un elemento di emissione della luce, in questo caso lo ione di neodimio (Nd), il cristallo YAG entrerà nello stato eccitato attraverso l'assorbimento della luce di una lampada o di un diodo laser.
Nd: YVO4 (1064 nm)
YVO 4 (Vanadato di ittrio)
  • Marcatura di caratteri piccoli
    Elevata potenza di picco ad alte frequenze del Q Switch.
    Buona efficienza di conversione dell'energia
Laser YVO4 (Nd: YVO4)
I laser YVO4 sono comunemente usati per applicazioni di marcatura di precisione come la marcatura di caratteri piccoli e altre attività di lavorazione. Con una lunghezza d'onda della luce simile a quella dei laser YAG (1064 nm), i laser YVO4 non possono essere visti dall'occhio umano. I laser
YVO4 sono laser a stato solido con una struttura cristallina di ittrio (Y), vanadio (V) e ossido (O4). Quando questa struttura viene drogata con un elemento di emissione della luce al neodimio (Nd), l'applicazione della luce LD dalla fine della struttura crea uno stato di eccitazione.
Yb: Fibra (1090 nm)
Yb (Itterbio)
  • Marcatura ad alta potenza
    L'amplificatore a fibra permette di avere un'elevata potenza in uscita
    L'elevata efficienza di raffreddamento e i relativi meccanismi semplificati rendono possibile la miniaturizzazione
LD (da 650 a 905 nm)
  • Laser a semiconduttore (GaAs, GaAlAs, GaInAs)

A gas

CO2 (10,6 μm)
  • Macchine di lavorazione, applicazioni di marcatura, scalping a laser
Laser CO2
I laser CO2 sono comunemente usati nelle macchine di lavorazione per applicazioni di marcatura.
Con una lunghezza d'onda della luce a infrarossi di 10,6 nm, questi laser non possono essere visti dall'occhio umano. I laser CO2 includono non solo gas CO2 dentro il tubo di oscillazione completamente sigillato ma anche quantità specifiche di N2 (azoto) ed He (elio).
In virtù di questa caratteristica, i laser CO2 sono soprannominati laser di "tipo sigillato". L'azoto (N2) aumenta l'energia del CO2, mentre l'elio (He) l'abbassa costantemente fino a uno stato più stabile.
He-Ne standard (630 nm)
  • Sistemi di misurazione (misurazione del profilo, ecc.)
    Questo è il tipo di laser più comune.
    Avendo una bassa potenza, questi laser sono comunemente usati per misurazioni del profilo, ecc.
Eccimeri (193 nm)
  • Apparecchiature per la produzione di semiconduttori e nella chirurgia refrattiva
    I laser agli eccimeri generano luce per mezzo di una struttura relativamente semplice che miscela gas inerte e gas alogeno.
    Essendo laser a ultravioletti profondi (DUV), il tasso di assorbimento è eccezionalmente alto.
    Questi laser sono utilizzati nella chirurgia refrattiva per eseguire correzioni vaporizzando il cristallino e mettendo a fuoco la retina.
Argon (da 488 a 514 nm)

  • Applicazioni scientifiche
    Disponibili in diversi colori, i laser ad argon vengono utilizzati principalmente nei laboratori, ad esempio quelli di biotecnologia.

A liquidi

Colorante (da 330 a 1300 nm)
  • Applicazioni scientifiche
    L'uso della luce laser per eccitare il colorante lo rende fluorescente.

Caratteristiche delle lunghezze d'onda

Marcatore laser CO2
Lunghezza d'onda 10600 nm:
Comunemente utilizzato per la marcatura di carta, plastica, vetro e ceramica.
Questa lunghezza d'onda viene assorbita anche da target trasparenti, consentendone l'uso per la marcatura su pellicole e altri oggetti.
L'elevata potenza di questa lunghezza d'onda consente il taglio di aperture nei prodotti stampati, il taglio di fogli di PET, ecc.
  • Marcatore laser YVO4
  • Marcatore laser YAG
  • Marcatore laser a fibra
Lunghezza d’onda 1064 nm (a fibra: 1090 nm):
(Lunghezza d'onda standard)
Comunemente utilizzato per la marcatura di metallo, plastica e ceramica.
Questa lunghezza d'onda assicura un buon contrasto sulla plastica, consentendo una marcatura ad alta visibilità. I laser
YVO4, YAG e a fibra hanno tutti caratteristiche della luce diverse anche se le lunghezze d'onda sono simili. Ciò è dovuto a mezzi e metodi di oscillazione diversi. Ognuno viene utilizzato per varie applicazioni in base al target e allo scopo. I laser YVO4 hanno una potenza di picco elevata e una larghezza di impulso breve, consentendo marcature e lavorazioni precise e di alta qualità. Utilizzando il calore generato dall'ampiezza di un impulso lungo, i laser a fibra sono validi per la marcatura nera e la marcatura profonda sui metalli. Infine, anche se hanno una qualità di lavorazione più bassa, i laser YAG sono ideali per la saldatura e altre applicazioni che richiedono molto calore.
Marcatore laser verde
Lunghezza d'onda di 532 nm:
(Lunghezza d'onda SHG)
In genere, più corta è la lunghezza d'onda di un laser, maggiore è la sua energia e più alto il suo tasso di assorbimento con il materiale.
Sebbene la luce dei laser YAG e YVO4 non sia facilmente assorbita, la luce dei laser verdi è adatta per materiali difficili da marcare.
Marcatore laser UV
Lunghezza d'onda di 355 nm:
(Lunghezza d'onda THG)
Questo laser ha una lunghezza d'onda ancora più corta dell'SHG nella regione UV.
I laser UV offrono un alto tasso di assorbimento indipendentemente dal materiale e causano uno stress termico molto basso. Ciò riduce al minimo i danni al prodotto e consente una marcatura ad alto contrasto.

I principi dell'oscillazione laser

Questa sezione illustra i principi che portano all'oscillazione della luce laser.

1. Eccitazione

La luce proveniente da una fonte esterna viene assorbita dagli elettroni negli atomi, che cambiano così il loro stato di energia da quello fondamentale (energia più bassa) a quello eccitato (energia più alta). Man mano che l'energia aumenta, gli elettroni si spostano dalla loro orbita normale verso un'orbita più lontana. Questo aumento di energia viene detto "eccitazione".

Stato dell'atomo
Atomo nel suo stato fondamentale
Atomo nel suo stato fondamentale
Atomo nel suo stato eccitato
Atomo nel suo stato eccitato
Stato degli elettroni
Stato degli elettroni

2. Emissione naturale

Gli elettroni nello stato eccitato aumentano i loro livelli di energia in base alla quantità di energia assorbita. Gli elettroni con maggiore energia tenderanno a stabilizzarsi dopo un periodo di rilassamento in cui l'energia in più viene rilasciata nel tentativo di tornare a uno stato di bassa energia. Durante questo processo, viene emessa luce con la stessa energia di quella rilasciata. Questo fenomeno è detto emissione naturale.

Stato dell'atomo
Stato dell'atomo
Stato degli elettroni
Stato degli elettroni

3. Emissione stimolata

Come mostrato nelle figure sotto, quando la luce passa attraverso un elettrone con lo stesso livello di energia, vengono creati ulteriori fotoni di luce con la stessa energia, fase e direzione. Con l'emissione stimolata, per ogni fotone di luce che attraversa un elettrone vengono emessi due fotoni. Questo fenomeno è detto emissione stimolata.
Poiché la luce a emissione stimolata ha la stessa energia, fase e direzione della luce incidente, stimolando e rilasciando una grande quantità di luce è possibile creare una luce forte che adotta questi tre fattori. La luce laser viene creata utilizzando l'emissione stimolata per amplificare la luce incidente. Pertanto, la luce laser è monocromatica (perché le energie della luce devono essere uguali), coerente (perché le fasi sono allineate) e ad alta direzionalità (perché la radiazione viene emessa in un'unica direzione).

Stato dell'atomo
Stato dell'atomo
Stato degli elettroni
Stato degli elettroni

4. Inversione della popolazione

Per far oscillare la luce laser utilizzando l'emissione stimolata, occorre prima portare la densità degli elettroni ad alta energia molto al di sopra di quella degli elettroni a bassa energia. Questo fenomeno è detto inversione della popolazione. Assicurare che il numero dei fotoni di luce emessi superi il numero di quelli assorbiti consente di creare una luce laser efficiente.

Inversione della popolazione di elettroni
Inversione della popolazione di elettroni
  • = Numerosi elettroni ad alta energia
  • = Pochi elettroni ad alta energia

5. Oscillazione laser

Quando un elettrone emette luce attraverso l'emissione naturale durante l'inversione della popolazione, quella luce avvia l'emissione stimolata da un altro elettrone e l'aumento progressivo del numero dei fotoni di luce conseguentemente alla stimolazione degli elettroni vicini produce una luce forte. Questo fenomeno è detto oscillazione laser.

Inversione della popolazione di elettroni
Inversione della popolazione di elettroni
A: Emissione naturale B: Emissione stimolata

Struttura dei tubi di oscillazione laser

I tre elementi dei laser

I tubi di oscillazione laser sono costituiti dai tre elementi seguenti.

  1. Mezzo del laser
  2. Fonte di eccitazione
  3. Amplificatore
I tre elementi dei laser
  1. Mezzo del laser
  2. Fonte di eccitazione
  3. Amplificatore
I tre elementi dei laser

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