LASER CHIMICI
Il laser al fluoruro di deuterio produce un’uscita mid-IR
Roland Roux
Laser a idrogeno e alogenuri di deuterio (HCl, DF, HBr) basati su una reazione chimica esotermica iniziata per scarica o per miscelazione rapida dei gas reagenti emessi nella regione di lunghezza d’onda da 3 a 5 µm. Varie lunghezze d’onda in questo intervallo spettrale sono adatte alla propagazione del fascio a lungo raggio attraverso l’atmosfera perché coincidono con le finestre atmosferiche.
Diversi anni fa CILAS (Marcoussis, Francia) ha sviluppato un laser HF-DF in grado di produrre una potenza media di 600 W alle lunghezze d’onda HF e di 250 W per DF.1 Il funzionamento a lungo termine di un tale laser, tuttavia, richiede una rigenerazione continua dei gas miscelati. Un approccio alternativo per esperimenti che richiedono solo bassa potenza media è il pompaggio ottico delle molecole di idrogeno e alogenuri di deuterio. I gas utilizzati e la sorgente pum¥selezionata consentono la copertura di varie regioni spettrali tra 3 e 5 µm. Questo approccio evita gli svantaggi della dissociazione e della rigenerazione dei gas.
Più recentemente, i ricercatori CILAS-supportati da DRET (Direction des Recherches, Etudes, et Techniques, Paris, France)-hanno sperimentato un nuovo laser al fluoruro di deuterio a bassa potenza media.2,3 In questo dispositivo un breve impulso laser stimola le molecole di idrogeno o alogenuri di deuterio contenute in una cella di gas, creando un’inversione di popolazione a cascata. La difficoltà principale è quella di trovare una sorgente laser in grado di pompare¥le linee discrete e strette delle varie transizioni.
Laser Forsterite
Nel campo di pressione tipicamente utilizzato per fare molecole di idrogeno o alogenuri di deuterio lase, le linee di assorbimento sono molto strette (meno di 1 GHz). Pertanto, una fonte efficiente di pum¥deve avere proprietà spettrali strette simili ed essere sintonizzata con precisione su una linea di assorbimento. Un laser forsterite che utilizza una serie di prismi e due dispositivi Fabry-Perot è in grado di soddisfare questi requisiti (vedi figura a p. 29).
Il laser forsterite drogato al cromo (Cr4+:Mg2SiO4) è basato su un cristallo lungo 23 mm con una sezione trasversale di 4 ¥ 6 mm2 e tagliato all’angolo di Brewster. Un laser Q-switched Nd: YAG pompa longitudinalmente il cristallo di forsterite a 1.064 nm. Il laser Nd: YAG trasporta le energie di impulso u¥a 130 mJ con una durata di impulso di 10 ns e frequenza di impulso-ripetizione di 10 hertz.
La lunghezza d’onda di uscita richiesta si ottiene facendo passare il fascio attraverso tre prismi dispersivi e ruotando lo specchio totalmente riflettente. Per ridurre la larghezza di banda spettrale dell’emissione laser, due dispositivi Fabry-Perot sono posizionati nella cavità. Il laser forsterite è perfettamente sintonizzabile da 1,16 a 1,33 µm e il picco della gamma di sintonizzazione è centrato a 1,25 µm. Senza i dispositivi Fabry-Perot, il laser forsterite eroga 13-mJ di energia massima per impulso a 1,25 µm con l’energia pum¥130-mJ (vedi figura inserto, p. 29); l’efficienza di conversione ottica è quindi del 10%. Con i dispositivi Fabry-Perot, a 1.268 µm (la linea HF), l’energia dell’impulso è di 6 mJ e a 1.193 µm (la linea DF) è di 3 mJ. La lunghezza dell’impulso è compresa tra 50 e 70 ns (FWHM) con una larghezza di linea di 0,06 Å.
L’uscita a linea stretta del laser forsterite viene introdotta nella cella gassosa attraverso uno specchio a cavità dicroica curva altamente trasmissivo alla lunghezza d’onda pum¥e altamente riflettente alle lunghezze d’onda HF e DF lasing. Vengono utilizzate celle in acciaio inossidabile dotate di finestre Brewster al fluoruro di calcio; le lunghezze delle celle sono di 15 cm per HF e 50 cm per DF.
Con questo setu¥pompando la cella HF, i ricercatori hanno ottenuto 250-µJ energia di superfluorescenza (misurata senza specchi) sulla transizione intorno a 2,8 µm. La pressione della cella HF era di 30 Torr e l’energia del laser forsterite pum¥era di 6 mJ a 1,268 µm con una lunghezza dell’impulso di 50 ns. Durante il pompaggio della cella DF, è stata osservata un’emissione laser a cascata e linee laser tra 3,64 e 3,85 µm emesse simultaneamente con circa 10 µJ di energia. In questo caso la pressione della cella DF era da 3 a 6 Torr; l’energia del laser pum¥era di 3 mJ a 1.193 µm.