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Laser a rubino

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[1] Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteArcade » 2 ago 2022, 14:45

Ciao a tutti, scrivo perché vorrei un po' di informazioni sul laser a rubino. Tutto quello che potevo leggere in rete a riguardo, dovrei averlo letto, però ci sono alcuni aspetti che vorrei chiarire. Per esempio, la dimensione del rubino deve essere commisurata alla potenza di eccitazione? In base a cosa scelgo la frequenza di eccitazione?
Grazie a tutti in anticipo!
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[2] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteEtemenanki » 2 ago 2022, 18:25

Le barre di rubino sintetiche che sono disponibili (anche se a prezzi piuttosto eccessivi, secondo me) sono definite dai produttori, perche' anche se si potesse crearne una in casa o in laboratorio, poi servirebbero specifiche conoscenze ed apparati per la formatura (appianare e collimare le facce, alla corretta distanza richiesta dalla lunghezza di emissione, depositare gli strati di dielettrico riflettenti degli opportuni spessori per crearli in fase con la lunghezza d'onda, eccetera, oppure in alternativa tagliare e lucidare la barra con i corrispondenti angoli di Brewster e creare la struttura di supporto per gli specchi esterni della cavita', secondo il modello che vuoi costruire), per cui su quelle la scelta e' fissa, ed anche la massima potenza ottenibile e' in funzione principalmente di quello (dico principalmente perche' contribuiscono anche la quantita' di energia sotto forma di luce che riesci a trasferire alla barra, l'efficenza del sistema di raffreddamento, la purezza del materiale, e cosi via).

Per quanto riguarda l'eccitazione invece potresti in teoria potenzialmente usare qualsiasi lunghezza d'onda fra quelle che riescono ad eccitare la fluorescenza del materiale che compone la barra, dico in teoria perche' se gli fornisci lunghezze d'onda che non sono nei picchi di assorbimento tipici del materiale, glie ne dovresti fornire talmente tanta che sarebbe piu efficente limitarsi a concentrare quella con una lente, tanto bassa sarebbe l'efficenza :mrgreen: ... per cui normalmente si usano lampade allo Xenon, dato che emettono una certa percentuale di luce proprio nelle zone di lunghezza d'onda ad assorbimento maggiore della barra (anche se in effetti le lampade Xenon emettono parecchio pure nel lontano IR, ma questo e' un altro discorso) ... piu recentemente, si sono fatti test abbastanza vantaggiosi con i diodi led UV e perfino blu, ottenendo buoni risultati ed anche emissione continua a basse potenze (articolo vecchio, non ho trovato nulla di piu recente al volo, ci sarebbe anche un testo, ma purtroppo non e' disponibile per la consultazione online)

Per cui l'efficenza maggiore, in teoria, la dovresti ottenere fornendogli luce ad una frequenza che possa eccitare l'emissione del dopante e contemporaneamente non venga assorbita ed eliminata o convertita in calore dal materiale, molti parlano di un range fra 400 e 550 nm, inoltre influisce molto anche la geometria e la qualita' della cavita' ottica, piu l'illuminazione della barra e' uniforme e completa, migliore e' il risultato.
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[3] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteArcade » 4 ago 2022, 12:06

Grazie per la riposta esauriente. Per cui, dicendo una stupidata, se ponessi il cristallo al sole sotto un filtro che lascia passare gli UV, ne uscirebbe il fascio o dovrei comunque trovare il sistema di "accendere e spegnere" la luce che arriva?
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[4] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteEtemenanki » 4 ago 2022, 14:24

"in teoria", e se lo facessi con la barra all'interno di una cavita' risonante (perche' senza ottieni solo fluorescenza rossa non coerente), potresti ottenere un raggio continuo, ma specifico "in teoria" perche' con quel sistema, anche in pieno sole, non otterresti altro che un'emissione minima, se non addirittura nessuna emissione (serve che piu della meta' degli atomi di dopante passino di stato, per iniziare il funzionamento in modo coerente), data la scarsita' di energia trasferita al materiale.

L'emissione continua e' possibile (anche se a potenze decisamente inferiori a quella impulsiva), infatti con il pompaggio a diodi alcune aziende (ed anche alcuni privati) fabbricano moduli al rubino ad emissione continua fra 20 e 100 mW, perfino con efficenza superiore al pompaggio con lampade xenon, ma il laser a rubino rimane uno dei tipi di laser a minor efficenza (parlando di efficenza come rapporto fra energia immessa nella barra ed energia ottenuta come raggio laser), se non ricordo male per quelli con lampade xenon puo andare dall'1% ad un massimo di circa il 3% (usando cavita' ottiche di accoppiamento fra barra e lampade, totalmente riflettenti e lavorate di precisione).

Con i diodi e' possibile un'efficenza un po maggiore, perche' si puo fornire alla barra le sole lunghezze d'onda a cui il dopante e' maggoirmente fluorescente (mentre con le lampade xenon, moltissima della luce e' al di fuori di queste bande e quindi non contribuisce all'emissione), ma anche cosi non brilliamo certo per efficenza, mi sembra che il massimo finora (se non sono state fatte migliorie da quando avevo letto un articolo un'annetto fa) sia stato circa il 34%, con circa 35mW di energia ottenuta da 1200mW di energia fornita alla barra, piu ovviamente tutti gli accorgimenti ottici necessari per illuminarla il piu uniformemente possibile.
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[5] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteArcade » 5 ago 2022, 10:27

Cosa vuol dire all'interno di una cavità risonante? Non è il cristallo ad essere la cavità risonante?
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[6] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteEtemenanki » 5 ago 2022, 13:00

Dipende dal tipo di barra.

Quelle piu vecchie erano realizzate come cavita' risonanti a se stanti, con le due facce perfettamente parallele (o al massimo emisferiche con un raggio molto elevato), e coperte direttamente con strati di dielettrico riflettente depositati in modo che gli spessori fossero in risonanza (se non ricordo male, un quarto della lunghezza d'onda dell'emissione), uno riflettente al 100% ed uno semiriflettente (quello da cui usciva il raggio) ... questo semplificava moltissimo la realizzazione (bastava un tubo in ceramica come contenitore, qualche lampada intorno, lineare o a spirale, ed un supporto da un lato per tenere allineata la barra al centro) pero' dava alcuni possibili problemi, se il dielettrico non era di ottima qualita' poteva rovinarsi, cosi come si poteva rovinare per graffi o danneggiamento meccanico.

Cosi si passo' agli specchi esterni, le facce della barra venivano molate o perfettamente piane e parallele e poi rivestite con una copertura antiriflesso (per emissione non polarizzata), oppure molate e lucidate all'angolo di Brewster corrispondente alla lunghezza d'onda di emissione (per emissione polarizzata), e poi la barra viene allineata all'interno di una cavita' risonante formata da due specchi, di solito uno piano ed uno curvo, a volte entrambi curvi, ma esiste anche la cavita' ad anello, dove si usano 4 specchi per creare un "circuito" luminoso, comunque in tutti questi casi il risuonatore, o cavita' risonante, e' esterno alla barra stessa.

000las.png
000las.png (6.89 KiB) Osservato 327 volte

L'immagine e' quella di una cavita' Nd:YAG, ma il principio e' identico.

Lo svantaggio e' che e' necessario un maggior lavoro di allineamento in fase di costruzione e l'assemblaggio risulta piu complesso, il vantaggio e' che se uno degli specchi si rovina (o anche la barra, ci sono stati casi in cui pompandogli dentro troppa energia le hanno rotte a causa dell'eccessivo stress termico), basta sostituire l'elemento rovinato e riallineare, ed inoltre se i supporti e la geometria della cavita' lo permettono si possono usare diverse barre con la stessa cavita'.
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[7] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteArcade » 5 ago 2022, 17:26

Ok, pensavo alla cavità risonante come all'involucro riflettente che conteneva il tutto.
Adesso ti espongo un'idea che mi è balenata nella mente a proposito di utilizzo con il sole:
mettiamo di avere uno specchio parabolico puntato verso il sole. Poco prima del punto di fuoco mettiamo un filtro passa banda UV. Poco dopo il punto di fuoco mettiamo un tubo con l'interno a specchio con all'interno il nostro sistema laser (specchio semi riflettente, cristallo, specchio riflettente).

para.png


Facendo due conti a spanne, 1 mq di parabola porta circa 1 kW, che diventano 100W circa di luce ultravioletta.
In questo modo che risultato pensi si otterrebbe?
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[8] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteGiVi » 5 ago 2022, 19:18

La barra YAG deve essere illuminata di lato, le due estremità della barra puntano su due specchi di cui uno semiriflettente. Non è possibile ( per quanto ne sappia ) alimentarla da uno dei due lati.
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[9] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteGiVi » 5 ago 2022, 19:24

Inoltre la barra necessita di raffreddamento. Dove lavoro ci sono 7 laser YAG per taglio lamiera, appena ci sono problemi nel raffreddamento ad acqua la barra si rompe.
essendo la barra immersa in acqua la vedo dura a farci arrivare la luce del sole dall'esterno.
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[10] Re: Laser a rubino

Messaggioda Foto UtenteEtemenanki » 5 ago 2022, 19:27

Temo scarso lo stesso ... la luce solare che raggiunge la terra contiene circa il 5% di ultravioletti (fortunatamente per noi), cioe' circa 50W per kW, e questo include l'intero spettro UV, probabilmente, cosi ad occhio, in quei 50W di UV ci saranno forse 1W nello spettro utile per eccitare il dopante della barra (fra i 350 ed i 410nm) e niente verde, c'e' la possibilita' che non basti neppure per iniziare l'emissione.

Forse, ma e' un'enorme forse e non credo sia stato gia provato, se si riuscisse a concentrare quei 5W in un raggio e pilotare la barra assialmente attraverso lo specchio dielettrico (che dovrebbe essere realizzato su misura in modo da riflettere i 694.3nm dell'emissione al massimo, ed allo stesso tempo NON riflettere gli UV) si potrebbe arrivare all'eccitazione, ma non essendo il pilotaggio in luce coerente non so quanto efficente potrebbe essere, forse qualche decina di mW di uscita ad essere molto ottimisti ?

Quello che e' stato provato e' pilotare assialmente una barra con un diodo laser, con gli specchi realizzati su misura (il posteriore riflettente il rosso e trasparente agli UV, il frontale semiriflettente per il rosso e riflettente per gli UV), ed hanno ottenuto circa 35mW di uscita con circa 1200mW di ingresso, ma le condizioni sono diverse da quelle che ipotizzi tu, il pilotaggio avviene gia con luce coerente e monocromatica ed e' doppio (lo specchio frontale riflette anche gli UV, che riattraversano la barra una seconda volta) ... qui c'e' un esempio di uno che se l'e' fatto in casa, e si vede quanto poco sia efficente
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