Tecnologia laser

  I. INTRODUZIONE

  La luce ha sempre avuto un ruolo centrale nello studio della fisica, della chimica e della biologia. La luce è la chiave sia per l'evoluzione dell'universo che per l'evoluzione della vita sulla terra. Questo secolo una nuova forma di luce laser è stata scoperta sul nostro piccolo pianeta e sta già facilitando una trasformazione globale delle informazioni, oltre a fornire importanti contributi alla medicina, all'elaborazione dei materiali industriali, all'archiviazione dei dati, alla stampa e alla difesa. Questa recensione traccerà gli sviluppi della scienza e della tecnologia che hanno portato all'invenzione del laser e fornirà alcuni esempi di come i laser contribuiscano sia alle applicazioni tecnologiche sia ai progressi nella scienza di base. Esistono molte altre fonti eccellenti che coprono vari aspetti del laser e della tecnologia laser, inclusi articoli del 25 ° anniversario del laser (Ausuran e Langford, 1987) e libri di testo (eg Siegman, 1986; Agrawal and Dutta, 1993; Pronto, 1997).

  L'amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione (LASER) si ottiene eccitando i modi elettronici, vibrazionali, rotazionali o cooperativi di un materiale in uno stato di non equilibrio in modo che i fotoni che si propagano attraverso il sistema siano amplificati coerentemente dall'emissione stimolata. L'eccitazione di questo mezzo di guadagno ottico può essere ottenuta utilizzando radiazioni ottiche, corrente elettrica e scariche o reazioni chimiche. Il mezzo di amplificazione è posto in una struttura a risonatore ottico, ad esempio tra due specchi ad alta riflettività in una configurazione di interferometro di Fabry Perot. Quando il guadagno del numero di fotoni per una modalità ottica del risonatore a cavità supera la perdita di cavità, oltre alla perdita da processi non radiativi e di assorbimento, l'ampiezza dello stato coerente della modalità aumenta a un livello in cui il numero medio di fotoni nella modalità è maggiore di uno. A livelli di pompa superiori a questa condizione di soglia, il sistema è a emissione laser e le emissioni stimolate dominano le emissioni spontanee. Un raggio laser è tipicamente accoppiato al risuonatore mediante uno specchio parzialmente trasmittente. Le proprietà meravigliosamente utili delle radiazioni laser includono la coerenza spaziale, l'emissione spettrale ristretta, l'alta potenza e le modalità spaziali ben definite in modo che il raggio possa essere focalizzato su una dimensione limitata del punto di diffrazione per ottenere un'intensità molto elevata. L'elevata efficienza della generazione di luce laser è importante in molte applicazioni che richiedono un basso assorbimento di corrente e un minimo di generazione di calore.

  Quando viene rilevato un raggio laser di stato coerente mediante tecniche di conteggio dei fotoni, la distribuzione del conteggio dei fotoni nel tempo è di tipo poissoniano. Ad esempio, un'uscita audio da un fotomoltiplicatore ad alta efficienza che rileva un campo laser suona come pioggia in un acquazzone costante. Questo rumore laser può essere modificato in casi speciali, ad esempio mediante pompaggio a corrente costante di un laser a diodi per ottenere uno stato di numero schiacciato in cui i fotoni rilevati suonano più come una mitragliatrice che non la pioggia.

Un amplificatore ottico si ottiene se il mezzo di guadagno non si trova in una cavità risonante. Gli amplificatori ottici possono ottenere un guadagno molto elevato e un basso livello di rumore. Infatti presentano attualmente dei valori di rumore entro pochi dB del limite di rumore quantico di 3 dB per un amplificatore lineare insensibile alla fase, cioè aggiungono poco più di un fattore 2 alla potenza del rumore di un segnale di ingresso. Gli amplificatori parametrici ottici (OPA), in cui il guadagno del segnale viene ottenuto mediante l'accoppiamento non lineare di un campo pompa con modalità segnale, possono essere configurati per aggiungere meno di 3 dB di rumore a un segnale di ingresso. In un OPA il rumore aggiunto al segnale di ingresso può essere dominato dal rumore della pompa e il rumore generato da un raggio laser della pompa può essere trascurabilmente piccolo rispetto alla grande ampiezza del campo della pompa.

  II.HISTORY

  Einstein (1917) ha fornito la prima idea essenziale per il laser, l'emissione stimolata. Perché il laser non è stato inventato prima nel secolo? Gran parte dei primi lavori sull'emissione stimolata si concentra su sistemi vicini all'equilibrio e il laser è un sistema altamente non-bilanciato. In retrospettiva, il laser avrebbe potuto essere facilmente concepito e dimostrato usando una scarica di gas durante il periodo degli intensi studi spettroscopici dal 1925 al 1940. Tuttavia, la tecnologia a microonde sviluppata durante la seconda guerra mondiale sviluppò l'atmosfera per il concetto di laser. Charles Townes e il suo gruppo alla Columbia hanno concepito l'idea del Maser (amplificazione a microonde mediante emissione stimolata di radiazioni), basata sul loro background nella tecnologia a microonde e sul loro interesse per la spettroscopia a microonde ad alta risoluzione. Idee maschili simili si sono evolute a Mosca (Basov e Prokhorov, 1954) e all'Università del Maryland (Weber, 1953). Il primo maser sperimentalmente dimostrato alla Columbia University (Gordon et al., 1954, 1955) era basato su un fascio molecolare di ammoniaca. Le idee di Bloembergen per il guadagno nei sistemi a tre livelli hanno portato ai primi pratici amplificatori maser nel sistema di rubini. Questi dispositivi hanno figure di rumore molto vicine al limite quantico e sono state usate da Penzias e Wilson nella scoperta della radiazione cosmica di fondo.

  Townes era sicuro che il concetto maser potesse essere esteso alla regione ottica (Townes, 1995). L'idea del laser è nata (Schawlow and Townes, 1958) quando ha discusso l'idea con Arthur Schawlow, il quale ha compreso che le modalità di risonatore di un interferometro Fabry-Perot potrebbero ridurre il numero di modalità che interagiscono con il materiale di guadagno in ordine per ottenere un alto guadagno per una modalità individuale. Il primo laser è stato dimostrato in una lampada flash pompata in cristallo di rubino da Ted Maiman presso Hughes Research Laboratories (Maiman, 1960). Poco dopo la dimostrazione dei laser a cristallo pulsato, un laser a scarica di gas He: Ne a onda continua (CW) fu dimostrato a Bell Laboratories (Javan et al., 1961), prima a 1,13 μm e successivamente al rosso a 632,8 nm transizione laser a lunghezza d'onda. Un eccellente articolo sulla nascita del laser è pubblicato in un numero speciale di Physics Today (Bromberg, 1988).

Il maser e il laser hanno avviato il campo dell'elettronica quantistica che abbraccia le discipline della fisica e dell'ingegneria elettrica. Per i fisici che pensavano principalmente in termini di fotoni, alcuni concetti laser erano difficili da comprendere senza i concetti coerenti dell'onda nella comunità dell'ingegneria elettrica. Ad esempio, la larghezza di riga del laser può essere molto più stretta del limite che si potrebbe pensare venga imposto dalla durata spontanea della transizione laser. Charles Townes ha vinto una bottiglia di scotch su questo punto da un collega della Columbia. Il laser e il maser dimostrano anche magnificamente lo scambio di idee e di slancio tra industria, governo e ricerca universitaria.

  Inizialmente, durante il periodo dal 1961 al 1975 ci furono poche applicazioni per il laser. Era una soluzione alla ricerca di un problema. Dalla metà degli anni '70 c'è stata una crescita esplosiva della tecnologia laser per applicazioni industriali.

  Come risultato di questa crescita tecnologica, una nuova generazione di laser tra cui laser a diodi a semiconduttore, laser a colorante, modalità ultraveloce Ti: laser zaffiro, oscillatori di parametri ottici e amplificatori parametrici sta facilitando nuove scoperte di ricerca in fisica, chimica e biologia.

  III. LASERS NEL TURNO DEL SECOLO

  La "legge" di Schawlow afferma che tutto si annulla se pompato abbastanza forte. In effetti, migliaia di materiali sono stati dimostrati come laser e amplificatori ottici, risultando in una vasta gamma di dimensioni laser, lunghezze d'onda, lunghezze d'impulso e potenze. Le lunghezze d'onda del laser vanno dal lontano infrarosso alla regione dei raggi x. Sono disponibili impulsi di luce laser brevi come pochi femtosecondi per la ricerca sulla dinamica dei materiali. Le potenze di picco nella gamma di petawatt vengono ora ottenute mediante l'amplificazione degli impulsi a femtosecondi. Quando questi livelli di potenza sono focalizzati in un punto limitato di diffrazione, le intensità si avvicinano a 1023 W / cm2. Gli elettroni in questi intensi campi sono accelerati nell'intervallo relativistico durante un singolo ciclo ottico e si possono studiare interessanti effetti elettrodinamici quantistici. La fisica degli impulsi laser ultracorti è esaminata è questa serie centennale (Bloembergen, 1999).

  Un recente esempio di un laser grande e potente è il laser chimico basato su una transizione di iodio a una lunghezza d'onda di 1,3 μm che è immaginata come un'arma difensiva (Forden, 1997). Potrebbe essere montato su un Boeing 747 e produrrà potenze medie di 3 megawatt, equivalenti a 30 torce acetilene. Nuovi progressi in specchi dielettrici di alta qualità e specchi deformabili consentono a questo intenso fascio di essere concentrato in modo affidabile su un piccolo missile che trasporta agenti biologici o chimici e di distruggerlo da distanze fino a 100 km. Questo attacco a "guerre stellari" può essere compiuto durante la fase di lancio del missile bersaglio in modo che parti del missile distrutto cadano sul suo lanciatore, un buon deterrente per queste armi malvagie. Il Capitano Kirk e la nave stellare Enterprise potrebbero usare questo sul Klingon!

All'estremità opposta della gamma di dimensioni del laser ci sono micro-laser così piccoli che solo un paio di modi ottici sono contenuti in un risuonatore con un volume nell'intervallo di femtoliter. Questi risuonatori possono assumere la forma di anelli o dischi di pochi micron di diametro che utilizzano una riflessione interna totale invece di specchi di dielettrici convenzionali allo scopo di ottenere un'alta riflettività. Le cavità di Fabry Perot solo una frazione di un micron di lunghezza vengono utilizzate per i VCSEL (laser a superficie verticale a emissione di cavità) che generano fasci ottici di alta qualità che possono essere accoppiati efficientemente a fibre ottiche (Choquette and Hou, 1997). I VCSEL possono trovare applicazioni diffuse nei collegamenti dati ottici.

  Le vendite laser in tutto il mondo nei mercati commerciali primari per il 1997 (Anderson, 1998; Steele, 1998) sono mostrate schematicamente in Fig. 1. Le vendite totali di laser hanno raggiunto i 3,2 miliardi di dollari e con un tasso di crescita annuo di quasi il 27% superano i 5 miliardi di dollari entro il 2000. La distribuzione globale delle vendite di laser è del 60% negli Stati Uniti, del 20% in Europa e del 20% nel Pacifico. I laser a diodi a semiconduttori rappresentano quasi il 57% del mercato laser del 1997. I laser a diodi nelle telecomunicazioni rappresentano da soli il 30% del mercato totale.

  La lavorazione dei materiali è il secondo mercato più ampio con applicazioni come la saldatura, la saldatura, la modellatura e il taglio di tessuti. I laser a CO2 con potenze medie nella gamma da 100 W rappresentano una grande percentuale dei ricavi in ​​questa categoria. I laser a diodi ad alta potenza con livelli di potenza compresi tra 1 e 20 W e lunghezze d'onda nell'intervallo da 750 a 980 nm stanno ora trovando un'ampia varietà di applicazioni nell'elaborazione dei materiali, nonché applicazioni oftalmiche e chirurgiche, strumentazione e rilevamento.

  La crescita delle applicazioni laser medicali è in gran parte dovuta a procedure laser cosmetiche come il resurfacing della pelle e la rimozione dei peli. Un'ampia percentuale di laser medicali è ancora utilizzata nelle applicazioni chirurgiche oftalmologiche e generali.

  Frequenza raddoppiata I laser Nd: YAG e i sistemi laser a diodi stanno sostituendo i laser ad argonion in oftalmologia. I nuovi laser, incluso il laser YAG erodiato, sono ampiamente usati in dermatologia, odontoiatria e oftalmologia.

  Lo storage ottico rappresenta il 10% del mercato in cui si trovano i laser utilizzati nei lettori di compact disc (CD) per il mercato dell'intrattenimento e dei computer. Il laser a semiconduttore GaAs a 800 nm di lunghezze d'onda per queste applicazioni è prodotto in modo così efficiente oggi che i costi del laser sono scesi a quasi $ 1 ciascuno. Oltre 200 milioni di laser a diodi, con lunghezze d'onda comprese tra 750 e 980 nm e potenze di pochi milliwatt, sono stati venduti per l'archiviazione ottica nel 1997.

 L'avvento di dischi video digitali (DVD) con 4,7 Gbyte di capacità di memorizzazione e laser a diodi blu (DenBaars, 1997) porterà a un'ulteriore crescita in questo campo.

  Le applicazioni laser per la registrazione di immagini includono stampanti per computer desktop, fax, copiatrici e stampa commerciale (Gibbs, 1998). I laser a diodi a modalità singola a bassa potenza che emettono da 780 a 670 nm di lunghezze d'onda vengono utilizzati nei registratori di immagini utilizzati per produrre pellicole a colori con elevata sensibilità in questa gamma di lunghezze d'onda. Questa tecnologia di stampa a colori basata su laser si è combinata con il software di desktop publishing per consentire la progettazione di pagine di alta qualità. La tecnologia computer to plate è un altro importante sviluppo della stampa. Una superficie della lastra di stampa viene direttamente esposta esponendola con un raggio laser invece di utilizzare separazioni di colore basate su pellicola. Ad esempio, lastre rivestite di fotopolimero possono essere esposte con laser Nd: YAG pompati a diodi raddoppiati in frequenza a una lunghezza d'onda di 532 nm. Più di recente, lastre termosensibili sono state sviluppate per l'uso con laser a raggi infrarossi.

I mercati del laser a rilevamento remoto includono l'evitamento delle collisioni automobilistiche, i rilevatori chimici atmosferici e il rilevamento del movimento dell'aria. Il raggio laser fornisce mappe di elevazione dettagliate della terra, compresi i movimenti di massa terrestre, la biomassa, la copertura delle nubi e della foschia e l'evoluzione delle calotte polari. Il laser che va dai satelliti può raggiungere la risoluzione sub centimale delle caratteristiche di elevazione e il movimento di massa terrestre sulla terra. Anche la Luna, Marte e altri pianeti vengono mappati dal raggio laser. Per i pianeti la precisione della misurazione varia tra metri e centimetri. Recentemente sono state mappate le caratteristiche dettagliate della calotta polare su Marte e delle nuvole vicino al bordo della calotta glaciale.

  Le applicazioni laser nella ricerca, nella scansione di codici a barre, nell'ispezione, nell'arte e nell'intrattenimento sono mercati piccoli ma significativi. I laser venduti per la ricerca di base nel 1997 hanno generato entrate per 132 milioni di dollari. Il basso consumo energetico, le sorgenti di diodi raddoppiate in frequenza che emettono nel verde a livelli di potenza vicini a 10 W vengono utilizzate come laser a pompa per laser regolabili in frequenza come il Ti: zaffiro e gli amplificatori parametrici ottici. Anche un laser di ricerca da tavolo può raggiungere il regime di potenza di picco petawatt con amplificatori ottici di grande volume. Questi impulsi ultra-sintonizzabili e altamente sintonizzabili stanno portando a progressi in molti campi di ricerca.

  IV.LASERS NELLE COMUNICAZIONI

  Le sorgenti luminose laser hanno rivoluzionato il settore delle comunicazioni. Le comunicazioni vocali hanno aumentato la richiesta di capacità di trasmissione di informazioni a un ritmo costante fino alla metà degli anni '70. Il tempo di raddoppio per la capacità di trasmissione durante questo periodo era di circa 8 anni. La velocità di dati di base era compresa tra 10 e 80 kHz in base alle trasmissioni audio. Durante questo periodo i primi fili di rame e poi le microonde erano le principali tecnologie di comunicazione. Poi negli anni '80 è iniziato un aumento esponenziale del tasso di informazione, con dati, fax e immagini aggiunti al flusso di informazioni. La nuova tecnologia delle comunicazioni in fibra ottica con sorgenti luminose laser è stata sviluppata per tenere il passo con questa nuova domanda. L'avvento di Internet globale ha provocato un'esplosione ancora più sorprendente nella domanda di capacità. Alla fonte dei dati, i terminali informatici sono utilizzati per accedere a Internet nelle case e nelle imprese di tutto il mondo, con conseguente aumento della velocità dei dati in modo esponenziale. Poiché le velocità del computer workstation si avvicinano a 1000 MIPS, saranno necessari collegamenti di comunicazione in fibra al computer nell'intervallo 1000 Mb / sec. Notare la coincidenza di questi tassi e che entrambi stanno aumentando esponenzialmente. È chiaro che continuerà ad esserci una domanda esponenzialmente crescente di capacità di trasmissione di informazioni. In risposta a questa richiesta, la capacità di informazione su una singola fibra ottica negli ultimi quattro anni, tra il 1994 e il 1998, è aumentata di 160 volte nei sistemi commerciali da 2,5 Gbit / sec a 400 Gbit / sec.

  Questo incredibile aumento è stato ottenuto utilizzando fino a 100 diverse lunghezze d'onda del laser (multiplexing a divisione di lunghezze d'onda dense, DWDM) su ciascuna fibra. Le velocità dei dati a una singola lunghezza d'onda sono aumentate da decine di Mbits / sec negli anni '70 a 10 Gbit / sec al momento, e 40 Gbit / sec saranno probabilmente in uso prima del cambio di secolo.

Questa rivoluzione dell'informazione sta rimodellando la comunità globale con la stessa forza della rivoluzione della stampa e la rivoluzione industriale ha rimodellato i loro mondi. Due delle tecnologie di base che supportano la rivoluzione delle informazioni sono il laser a diodi a semiconduttore e l'amplificatore ottico a fibra drogata con erbio. I bassi livelli di rumore, intensità e larghezza delle linee associate agli oscillatori e agli amplificatori laser sono assolutamente essenziali per i sistemi di comunicazione a fibre ottiche. Le più ampie sorgenti incoerenti come i diodi ad emissione luminosa o le sorgenti termiche non soddisfano le intensità necessarie e le ampiezze di riga spettrali di molti ordini di grandezza.

  I diodi laser a semiconduttore sono stati dimostrati per la prima volta nel 1962 presso GE, IBM e Lincoln Laboratories come dispositivi di omogeneizzazione basati su materiali III-V. Una storia di questi primi laser a diodi e riferimenti è stata trovata in Agrawal e Dutta (1993). Quando la prima temperatura di camera eterogenea GaAs / AlGaAs, i laser a diodo continuo sono stati operati nel 1970 da Hayashi e Panish (Hayashi et al., 1970) a Bell Labs e Alferov (Alferov et al., 1970) in Russia, le loro vite sono state misurate in minuti. Le trasmissioni del laser a diodi sono aumentate drasticamente da quel momento. La vita del laser a diodi attualmente è stimata in centinaia di anni e le durate della lunghezza d'onda sono maggiori di 0,1 nm per un periodo di 25 anni. Queste incredibili stabilità sono necessarie per i nuovi sistemi DWDM con oltre 100 canali di lunghezza d'onda che coprono intervalli di lunghezza d'onda di 100 nm. Poiché la lunghezza d'onda ottimale per la bassa perdita di fibra di silice aumentava nella lunghezza d'onda da 800 nm a 1500 nm durante gli anni '70, le lunghezze d'onda del laser a diodi seguivano l'evoluzione da GaAs al sistema InGaAsP. Durante la fine degli anni '80 e l'inizio degli anni '90, i pozzi quantici hanno sostituito il grosso semiconduttore nella regione del guadagno ottico attivo al fine di migliorare le caratteristiche operative del laser. Un diagramma schematico di un laser a diodi per telecomunicazioni presente oggi integrato con un modulatore di elettroassorbimento è mostrato in Fig. 2. Le dimensioni complessive sono inferiori a 1 mm. Una regione con indice di rifrazione elevato e reticolo di feedback distribuito sepolto (DFB), al di sotto dei pozzi quantici attivi, definisce rispettivamente la cavità ottica del laser e la lunghezza d'onda del laser.

  I sistemi di comunicazione a fibre ottiche si basano fortemente anche sull'amplificatore a fibra drogata con erbio sviluppato alla fine degli anni '80 (Urquhart, 1988). Questi amplificatori hanno alti

FIGURA. 2. Schema schematico di un diodo laser a semiconduttore con un modulatore di elettroassorbimento utilizzato nei sistemi di comunicazione ottica. (Per gentile concessione di R. L. Hartman, Lucent Technologies) guadagno, in genere vicino a 25 dB, e figure a bassa rumorosità vicino al limite di rumore quantico di 3 dB per un amplificatore lineare a prova di insensibilità. Il guadagno in questi amplificatori può essere equalizzato su larghezze di banda fino a 100 nm, coprendo circa un quarto della finestra in fibra di silice a bassa perdita compresa tra 1,2 e 1,6 μm di lunghezza d'onda. I sistemi a fibre ottiche possono essere resi "trasparenti" su migliaia di chilometri utilizzando amplificatori a fibra erbiodidati distanziati a distanze di circa 80 km, dove le perdite di fibra si avvicinano a 20 dB.

Con la fine del secolo, ci stiamo rapidamente avvicinando ai limiti fisici fondamentali per laser, amplificatori ottici e fibre di silice. La larghezza di banda del laser è compresa nell'intervallo 10 MHz, limitata dalle fluttuazioni di emissione spontanee fondamentali e dall'accoppiamento dell'indice di guadagno nei materiali dei semiconduttori. Il numero di fotoni in un bit di informazioni rilevato si sta avvicinando al limite fondamentale di circa 60 fotoni richiesti quando si utilizzano campi di luce laser a stato coerente al fine di mantenere un tasso di errore inferiore a 1 parte su 109. Un'efficienza di utilizzo della larghezza di banda di 1 bit / sec / Hz è stato recentemente dimostrato. Le larghezze di banda dell'amplificatore ottico non coprono ancora la larghezza di 400 nm della finestra in fibra a bassa perdita, ma si stanno espandendo rapidamente. I limiti fondamentali imposti dalle distorsioni non lineari e dispersive nelle fibre di silice rendono molto difficile la trasmissione a velocità di trasmissione dati superiori a 40 Gbit / sec su lunghe distanze. I solitoni ottici possono essere utilizzati per bilanciare queste distorsioni, ma anche con i solitoni rimangono dei limiti fondamentali per i sistemi a bit rate elevato, a più lunghezze d'onda. I limiti di capacità del canale imposti dalla teoria dell'informazione sono all'orizzonte. È chiaramente una sfida per i prossimi secoli trovare ancora più capacità di trasmissione di informazioni per il desiderio sempre crescente di comunicare.

  V. LAVORAZIONE DEI MATERIALI E LITOGRAFIA

  I laser ad alta potenza e Nd: YAG sono utilizzati per un'ampia varietà di applicazioni di incisione, taglio, saldatura, saldatura e prototipazione 3D. Sono disponibili in commercio laser a CO2 sigillati e rf che hanno potenze di uscita nell'intervallo da 10 a 600 W e durata di oltre 10.000 ore. Le applicazioni di taglio laser includono tele per vele, paracadute, tessuti, airbag e pizzi. Il taglio è molto rapido, preciso, non c'è scolorimento del bordo e si ottiene un bordo fuso pulito che elimina la sfrangiatura del materiale. I disegni complessi sono incisi in legno, vetro, acrilico, timbri di gomma, lastre di stampa, plexiglas, cartelli, guarnizioni e carta. I modelli tridimensionali vengono rapidamente realizzati in plastica o legno utilizzando un file CAD (computer-aided design).

  I laser a fibra (Rossi, 1997) sono una recente aggiunta al campo della lavorazione dei materiali. I primi laser a fibra furono dimostrati presso i Laboratori Bell usando fibre di cristallo nel tentativo di sviluppare laser per comunicazioni sottomarine a onde leggere. I laser a fibra di silice fusa drogati furono presto sviluppati. Alla fine degli anni '80, i ricercatori della Polaroid Corp. e dell'Università di Southampton inventarono laser a fibra di rivestimento. Il vetro che circonda il nucleo di guida di questi laser serve sia a guidare la luce nel core single mode sia come conduttore multimode per la luce della pompa la cui propagazione è limitata al rivestimento interno da un rivestimento polimerico esterno con basso indice di rifrazione. Schemi di funzionamento tipici attualmente utilizzano una barra laser a diodi multimodale da 20 W che si accoppia in modo efficiente nella regione di rivestimento interno di grande diametro ed è assorbita dalla regione di nucleo drogata per tutta la sua lunghezza (tipicamente 50 m). I droganti nel nucleo della fibra che forniscono il guadagno possono essere erbio per la regione di lunghezza d'onda di 1,5 μm o itterbio per la regione di 1,1 μm. Specchi per cavità di alta qualità vengono depositati direttamente sulle estremità della fibra. Questi laser a fibra sono estremamente efficienti, con efficienze complessive fino al 60%. La qualità del fascio e l'efficienza di consegna sono eccellenti poiché l'uscita è formata come uscita in modalità singola della fibra. Questi laser ora hanno potenze di uscita nella gamma da 10 a 40 W e tempi di vita di quasi 5000 ore. Le applicazioni attuali di questi laser includono la ricottura di componenti micromeccanici, il taglio di parti in acciaio inossidabile spesse da 25 a 50 μm, la saldatura selettiva e la saldatura di parti meccaniche complesse, la marcatura di componenti in plastica e metallo e la stampa di applicazioni.

I laser ad eccimeri stanno iniziando a giocare un ruolo chiave nella fotolitografia utilizzata per fabbricare chip VLSI (circuiti integrati su larga scala). Poiché le regole di progettazione dell'IC (circuito integrato) diminuiscono da 0,35 μm (1995) a 0,13 μm (2002), la lunghezza d'onda della sorgente luminosa utilizzata per il pattern fotolitografico deve corrispondentemente diminuire da 400 nm a meno di 200 nm. Durante i primi anni '90, la radiazione dell'arco di mercurio produceva energia sufficiente a lunghezze d'onda sufficientemente corte di 436 nm e 365 nm per alte velocità di produzione di dispositivi IC modellati rispettivamente a regole di progettazione di 0,5 μm e 0,35 μm. Mentre il secolo chiude le sorgenti laser ad eccimeri con potenze di uscita medie nella gamma da 200 W stanno sostituendo gli archi di mercurio. Le estensioni di linea del laser ad eccimeri sono sufficientemente ampie da impedire la formazione di pattern speckle, ma abbastanza stretto, inferiore a 2 nm di lunghezza d'onda, per evitare problemi di dispersione nell'imaging ottico. La radiazione laser ad eccimeri di krypton fluoruro (KF) con lunghezza d'onda di 248 nm supporta le regole di progettazione di 0,25 μm e la transizione del laser ArF a 193 nm sarà probabilmente utilizzata a partire da regole di progettazione di 0,18 μm. A regole di progettazione ancora più ridotte, fino a 0,1 μm entro il 2008, la lunghezza d'onda del laser ad eccimeri F2 a 157 nm è un possibile candidato, anche se al momento non ci sono photoresist sviluppati per questa lunghezza d'onda. Armoniche più alte dei laser a stato solido sono anche possibilità come sorgenti UV ad alta potenza. A lunghezze d'onda ancora più corte è molto difficile per gli elementi ottici e i fotoresistenti soddisfare i requisiti dei sistemi litografici. Fasci di elettroni, raggi X e radiazione di sincrotrone sono ancora considerati per le regole di progettazione a 70 nm previste per il 2010 e oltre.

  VI.LASERS IN MEDICINA

  I laser con lunghezze d'onda dall'infrarosso attraverso l'UV vengono utilizzati in medicina sia per applicazioni diagnostiche che terapeutiche (Deutsch, 1997). I laser interagiscono con tessuti disomogenei attraverso l'assorbimento e la dispersione.

  Assorbitori includono il pigmento della melanina, l'emoglobina nel sangue e le proteine. A lunghezze d'onda superiori a 1 μm l'assorbitore primario è acqua. I coloranti possono anche essere introdotti nel tessuto per l'assorbimento selettivo. Ad esempio, nella terapia fotodinamica, i fotosensibilizzatori ematoporfirinici che assorbono la gamma di lunghezze d'onda da 630 nm a 650 nm possono essere introdotti nel sistema e utilizzati per trattare i tumori cancerogeni mediante irradiazione laser locale nel tratto urinario o nell'esofago. La dispersione nel tessuto limita la penetrazione delle radiazioni; ad esempio, a una lunghezza d'onda di 1 μm scattering limita le profondità di penetrazione a pochi millimetri. I processi di scattering sono studiati nella speranza di ottenere immagini ad alta risoluzione per lo screening del cancro al seno. L'interazione laser con il tessuto dipende dal fatto che il laser sia pulsato o CW. Brevi impulsi laser in cui non si verifica alcuna diffusione termica durante l'impulso possono essere utilizzati per limitare la profondità degli effetti laser. Questo fenomeno insieme alla messa a punto selettiva della lunghezza d'onda del laser viene utilizzato in dermatologia per il trattamento delle lesioni cutanee e nella rimozione di vene varicose, tatuaggi e capelli. Anche le interazioni non lineari giocano un ruolo importante. Ad esempio, la degradazione indotta dal laser viene utilizzata per la frammentazione di calcoli renali e della cistifellea.

Poiché l'interno dell'occhio è facilmente accessibile con la luce, le applicazioni oftalmiche sono state le prime applicazioni diffuse dei laser in medicina. I laser ad argon sono stati usati per molti anni per trattare il distacco della retina e il sanguinamento dai vasi della retina. La diffusa disponibilità dei laser CO2 e Nd: YAG che tagliano il tessuto e contemporaneamente coagula i vasi sanguigni, ha portato al loro uso precoce in chirurgia generale. Il laser Er: YAG è stato recentemente introdotto per applicazioni dentali con la promessa di una drastica riduzione del dolore, certamente un contributo positivo della tecnologia laser.

  Le procedure diagnostiche che utilizzano il laser proliferano rapidamente. Alcune tecniche sono ampiamente utilizzate nella pratica clinica. Ad esempio il citometro a flusso utilizza due fasci laser focalizzati per eccitare sequenzialmente la fluorescenza di particelle o molecole cellulari che fluiscono in un liquido attraverso un ugello. I segnali fluorescenti misurati possono essere utilizzati per lo smistamento o l'analisi delle cellule. Le applicazioni cliniche di routine della citometria a flusso includono l'immunofenotipizzazione e la misurazione del contenuto di DNA. I citometri a flusso sono utilizzati per separare fisicamente un gran numero di cromosomi umani. I cromosomi ordinati forniscono modelli di DNA per la costruzione di librerie di DNA ricombinante per ciascuno dei cromosomi umani. Queste librerie sono una componente importante dell'ingegneria genetica.

  Una nuova tecnica di imaging medicale basata su laser (Guillermo et al., 1997) basata sulla tecnologia laser denominata tomografia a coerenza ottica (OCT) sta ottenendo una risoluzione spaziale dei tessuti nell'intervallo di 10 μm. Le risoluzioni di ultrasuoni e risonanza magnetica (MRI) sono limitate nell'intervallo da 100 μm a 1 mm. La nuova tecnica OCT ad alta risoluzione è sufficientemente sensibile per rilevare le anormalità associate a cancro e aterosclerosi nelle fasi iniziali. La tecnica OCT è simile agli ultrasuoni, ma fa uso di una sorgente luminosa a banda spettrale ampia e spettrale con una lunghezza di coerenza vicina a 10 μm, con un miglioramento di almeno un ordine di grandezza nella risoluzione rispetto alle tecniche di risonanza magnetica e acustica. La sorgente può essere un diodo super luminescente, Cr: laser forsterite o un laser Ti: Zaffiro modulato. OCT esegue l'allineamento ottico del tessuto utilizzando un interferometro a fibre di vetro di Michelson. Poiché l'interferenza viene osservata solo quando le lunghezze del percorso ottico del campione e i bracci di riferimento dell'interferometro coincidono con la lunghezza di coerenza della sorgente, si ottengono misurazioni della distanza di precisione. L'ampiezza del segnale riflesso / disperso in funzione della profondità si ottiene variando la lunghezza del braccio di riferimento dell'interferometro. Un'immagine in sezione trasversale viene prodotta quando vengono registrati i profili sequenziali di riflessione / scattering assiali mentre la posizione del raggio viene scansionata attraverso il campione. Recenti studi hanno dimostrato che l'OCT può visualizzare la morfologia architettonica in tessuti altamente dispersi come la retina, la pelle, il sistema vascolare, il tratto gastrointestinale e lo sviluppo di embrioni. L'immagine di una trachea di coniglio ottenuta usando questa tecnica accoppiata a un cateterendoscopio è mostrata in Fig. 3. L'OCT è già utilizzato clinicamente per la diagnosi di una vasta gamma di malattie maculari della retina.

Una tecnica ottica elegante e innovativa che utilizza gas spinpolarizzati (Mittleman et al., 1995) è stata studiata per migliorare le immagini MRI dei polmoni e del cervello. Gli spin nucleari nei gas Xe e 3He sono allineati usando una radiazione laser polarizzata circolarmente. Questi nuclei allineati hanno magnetizzazioni quasi 105 volte quello dei protoni normalmente usati per l'imaging MRI. Lo xeno viene usato come sonda cerebrale poiché è solubile nei lipidi. In regioni come i polmoni, che non contengono acqua sufficiente per immagini MRI ad alto contrasto, 3He fornisce immagini ad alto contrasto. Si può anche guardare 3Il flusso nei polmoni per la diagnostica funzionale.

  VII.LASERS IN BIOLOGIA

  Le applicazioni laser in biologia possono essere illustrate con due esempi: pinzette laser e microsfere a due fotoni

FIGURA. 3. Immagini di tomografia a coerenza ottica di una trachea di coniglio in vivo. (a) Questa immagine consente la visualizzazione di strati architettonici distinti, tra cui l'epitelio (e), lo stroma (m) della mucosa, la cartilagine (c) e il tessuto adiposo (a).

  Il muscolo tracheale (tm) può essere facilmente identificato. (B) istologia corrispondente. Barra, copia da 500 μm. Quando la luce laser collimata viene focalizzata vicino o all'interno di un piccolo corpo dielettrico come una cellula biologica, la rifrazione della luce nella cellula causa un effetto lente. Una forza viene impartita alla cella mediante il trasferimento di quantità di moto dal raggio di luce flettente. Arthur Ashkin dei Bell Laboratories (Ashkin, 1997) ha scoperto che variando la forma e la posizione del volume focale in una disposizione microscopica, una cellula può essere facilmente spostata o intrappolata con queste "pinzette laser" utilizzando intensità di luce vicine a 10 W / cm2. A questi livelli di luce e lunghezze d'onda nel vicino infrarosso, non vi è alcun danno o riscaldamento significativo dei costituenti della cellula. Le pinzette laser vengono ora utilizzate per spostare corpi subcellulari come i mitocondri all'interno di una cellula (Sheetz, 1998). Le tecniche Tweezer possono anche essere utilizzate per estendere i filamenti di DNA in configurazioni lineari per studi dettagliati. Due fasci laser possono essere utilizzati per stabilizzare una cella e quindi un terzo raggio laser con una lunghezza d'onda diversa, possono essere utilizzati per studi spettroscopici o dinamici. I laser pulsati vengono usati come "forbici" per apportare modifiche specifiche nelle strutture cellulari o per creare piccoli fori nelle membrane cellulari in modo che molecole o materiali genetici possano essere introdotti selettivamente nella cellula.

FIGURA. 4. (Colore) Immagine fluorescente a microscopio confocale a due fotoni di una cellula vivente di Purkenji in una fetta di cervello. Le dimensioni della cella sono dell'ordine di 100 μm.

  Scanning microscopia confocale e due fotoni ottici sono esempi eccellenti del contributo della tecnologia laser alla biologia. L'imaging tridimensionale delle cellule nervose di circa 200 μm nei cervelli funzionanti e nello sviluppo degli embrioni è ora una realtà. I microscopi confocali pratici sono stati largamente utilizzati alla fine degli anni '80 come risultato di affidabili sorgenti di luce laser. La risoluzione dell'obiettivo in un microscopio confocale viene utilizzata sia per focalizzare la luce verso un punto di diffrazione limitato, e quindi di nuovo per immagini principalmente i fotoni del segnale, cioè quelli che non sono fortemente sparsi dal campione, su un'apertura. Anche se si ottengono immagini 3D ad alta risoluzione, questo schema a singolo fotone rappresenta uno spreco di utilizzo della luce illuminante poiché una frazione importante viene dispersa lontano dall'apertura o viene assorbita dal campione. Nella microscopia a fluorescenza, il fotodanneggiamento del fluoroforo è un fattore particolarmente limitante per la microscopia confocale a singolo fotone.

La microscopia confocale a scansione multifotonica è stata introdotta nel 1990 e risolve molti dei problemi delle tecniche a singolo fotone. Un tipico microscopio a due fotoni usa impulsi brevi da 100 fs da un laser bloccato in modalità Ti: zaffiro a livelli di potenza media vicino a 10 mW. L'elevata intensità al picco di ciascun impulso causa un forte assorbimento di due fotoni e fluorescenza solo all'interno del piccolo volume focale, e tutte le radiazioni fluorescenti possono essere raccolte per un'alta efficienza. La luce eccitante viene scelta per assorbire e danneggiare il singolo fotone minimo, in modo che la tecnica dei due fotoni abbia una risoluzione molto alta, un danno basso e una penetrazione profonda.

Una bella immagine fluorescente a due fotoni di una cellula vivente di Purkenji in una fetta di cervello è mostrata in Fig. 4 (Denk e Svoboda 1997). I neuroni neocorticali pirimidali negli strati 2 e 3 della corteccia somatosensoriale del ratto sono stati rilevati a profondità di 200 μm al di sotto della superficie del cervello. Ancora più impressionanti sono i film sullo sviluppo degli embrioni. La microscopia degli embrioni è particolarmente sensibile al fotodanneggiamento e la tecnica dei due fotoni sta aprendo nuove prospettive in questo campo.

  VIII.LASERS IN FISICA

  La tecnologia laser ha stimolato una rinascita nelle spettroscopie attraverso lo spettro elettromagnetico. La sottile larghezza di riga del laser, le grandi potenze, gli impulsi brevi e l'ampia gamma di lunghezze d'onda hanno consentito nuovi studi dinamici e spettrali su gas, plasma, vetri, cristalli e liquidi. Ad esempio, gli studi di dispersione Raman di fononi, magnoni, plasmoni, rotori ed eccitazioni in gas di elettroni 2D sono fioriti dall'invenzione del laser. Le spettroscopie laser non lineari hanno portato a grandi aumenti nella misurazione di precisione come descritto in un articolo di questo volume (Ha¨ nsch e Walther 1999).

  Laser a colorante stabilizzato in frequenza e laser a diodo sintonizzati con precisione su transizioni atomiche hanno prodotto atomi ultrafreddi e condensati di Bose Einstein, descritti anche in questo volume (Wieman et al., 1999). Il controllo dello stato atomico e le misurazioni della nonconservazione della parità atomica hanno raggiunto una precisione che consente test del modello standard nella fisica delle particelle e ricerche cruciali per la nuova fisica oltre il modello standard. Negli ultimi esperimenti di non conservazione della parità (Wood et al., 1997) gli atomi di Ce sono preparati in specifici stati elettronici mentre attraversano due raggi laser a diodi rossi. Questi atomi preparati quindi entrano in un risonatore a cavità ottica dove gli atomi sono eccitati ad un livello di energia più elevato mediante luce verde ad alta intensità iniettata nella cavità da un laser a dy e stabilizzato in frequenza. Campi elettrici e magnetici applicati in questa regione di eccitazione possono essere invertiti per creare un ambiente speculare per gli atomi.

  Dopo che l'atomo esce dalla regione di eccitazione, la velocità di eccitazione dell'atomo viene misurata da un terzo laser a diodi rosso. Piccole variazioni di questa velocità di eccitazione con il rispecchiamento dei campi elettrici e magnetici applicati indicano la non conservazione della parità. L'accuratezza della misurazione della non conservazione della parità si è evoluta per diversi decenni fino a un livello dello 0,35%. Questa precisione di misurazione corrisponde al primo isolamento definitivo della violazione della parità atomica dipendente dallo spin nucleare. A questo livello di precisione è chiaro che un componente dell'interazione elettrone-nucleare è dovuto a un momento di anapolo nucleare, un momento magnetico che può essere visualizzato come prodotto da distribuzioni di corrente toroidale nel nucleo.

  Anche i laser stanno contribuendo al campo dell'astrofisica. Nei primi esperimenti verrà utilizzato un laser Nd: YAG con lunghezza d'onda di 10,6 μm per tentare di rilevare le onde gravitazionali da fonti come supernove e stelle di neutroni in orbita.

  Questi esperimenti utilizzano interferometri che dovrebbero essere in grado di misurare un cambiamento di lunghezza tra i due bracci di interferometro con una precisione di una parte nel 1022. Una distorsione spaziale di questa portata è prevista per la radiazione gravitazionale da fonti astrofisiche. Gli esperimenti terrestri sono chiamati LIGO (Light Interferometer Gravitational Wave Observatory) negli Stati Uniti e GEO in Europa. È in corso anche un esperimento spaziale chiamato LISA (Light Interferometer Space Antenna). I bracci dell'interferometro LIGO hanno una lunghezza di 4 km ciascuno. Per la sorgente di luce è necessario un laser a frequenza spaziale, a bassa rumorosità e alto fascio spaziale con un livello di potenza di 10 W. Gli specchi di cavità formano risuonatori in ciascun braccio dell'interferometro che aumentano la potenza nelle cavità fino a circa 1 kW. Quattro aste Nd: YAG, ciascuna delle quali pompata da due barre diodi da 20 W, amplificano l'uscita a frequenza singola di un oscillatore ad anello non planare da 700 mW ad almeno 10 W. Raggiungere la sensibilità richiesta per rilevare le onde gravitazionali significa risolvere ogni frangia di interferometro ad una parte nel 1011, un obiettivo formidabile, ma si spera realizzabile.

IX.FUTURE TECNOLOGIE LASER

  Il laser a elettroni liberi e gli acceleratori laser sono esempi di tecnologie laser in via di sviluppo che potrebbero avere un grande impatto nel prossimo secolo. Il laser a elettroni liberi (FEL) è basato sul guadagno ottico da un fascio di elettroni relativistici ondulato in un campo magnetico periodico (Sessler e Vaugnan, 1987). Gli acceleratori a fascio di elettroni basati su superconduttori di cavità a microonde sono in fase di sviluppo presso un nuovo centro FEL presso Jefferson Laboratories. Queste cavità acceleranti generano campi elevati nella gamma da 10 a 20 MeV / m e consentono una generazione molto efficiente di luce FEL che può essere regolata dall'infrarosso all'ultravioletto profondo con livelli di potenza medi nella gamma di kilowatt (Kelley et al., 1996) . Attualmente un FEL a infrarossi di potenza media di 1 kW è prossimo al completamento e si sta pianificando un aggiornamento a un FEL UV potente e profondo. A questi immensi poteri, un certo numero di nuove tecnologie potrebbe essere commercialmente interessante. Gli impulsi FEL brevi e intensi possono consentire una rapida ricottura termica e la pulizia delle superfici metalliche. La ricottura laser a impulsi può comportare un aumento di durezza di quasi un ordine di grandezza per le macchine utensili. Le potenze FEL medie elevate possono essere sufficienti per rendere la produzione commerciale di strumenti laser potenziati una realtà. Un altro grande mercato che richiede alte potenze per la lavorazione di grandi volumi è l'involucro e il tessuto di polimeri. In questo caso, gli intensi impulsi FEL possono indurre un'ampia gamma di proprietà dei polimeri modificati, comprese le superfici polimeriche antibatteriche che potrebbero essere utilizzate per confezioni e indumenti alimentari con trame piacevoli e maggiore durata. Le potenze medie elevate e la sintonizzazione della lunghezza d'onda sono importanti anche per la modellazione di strumenti di microlavorazione di grandi dimensioni utilizzati per stampare modelli in fogli di plastica.

  I laser Petawatt possono fornire la base per una nuova generazione di acceleratori di particelle. La frequenza degli acceleratori di campo a microonde attualmente in uso sarà probabilmente limitata dalle scia generate automaticamente a meno di 100 GHz dove i campi in accelerazione raggiungono la gamma 100 MeV / m. Raggi laser intensi vengono utilizzati per generare campi molto più alti nell'intervallo 100 GeV / m (Madena et al., 1995). Ad esempio, una tecnica utilizza due fasci laser la cui differenza di frequenza è sintonizzata sulla frequenza del plasma di un gas ionizzato dal laser. È possibile generare campi di accelerazione fino a 160 GeV / m tra le regioni di carica spaziale periodiche dell'onda di plasma. Le velocità di propagazione di questi giganteschi campi possono essere progettate per corrispondere alle velocità relativistiche delle particelle accelerate. Rimane molto lavoro per ottenere acceleratori concreti, ma la prova di principio è già stata raggiunta.

  Lo sviluppo di tecnologie laser e il loro contributo alla scienza sono troppo numerosi per coprire adeguatamente questa breve revisione. Le comunicazioni laser tra reti satellitari, veicoli spaziali a propulsione laser e fusione laser sono ulteriori esempi di sviluppo di tecnologie laser. Nelle scienze di base ci sono molti nuovi esperimenti che vengono abilitati dalla tecnologia laser, inclusa la correzione per le distorsioni atmosferiche in astronomia usando riflessioni laser dallo strato di sodio nell'atmosfera superiore e studi di elettrodinamica quantistica utilizzando raggi laser ultra intensi. Proprio come era difficile immaginare il potenziale delle tecnologie laser negli anni '60 e '70, sembra chiaro che non possiamo ora immaginare i molti nuovi sviluppi nei laser e le loro applicazioni nel prossimo secolo. La nostra nuova sorgente di luce laser sicuramente ci toccherà tutti, sia nella nostra vita ordinaria che nel mondo della scienza.