Un laser a coloranti è un laser che usa un colorante organico, solitamente in soluzione liquida, come mezzo di amplificazione della luce.
I laser a coloranti furono scoperti in modo indipendente dai team guidati da P. P. Sorokin e F. P. Schäfer nel 1966.F. P. Schäfer (Ed.), Dye Lasers, Springer-Verlag, Berlin, 1990.F. J. Duarte e L. W. Hillman (Eds.), Dye Laser Principles, Academic, New York, 1990.
Caratteristiche In confronto ai mezzi gassosi e a quelli solidi, un colorante può essere usato per ottenere una gamma molto più ampia di lunghezze d'onda, che solitamente si estende da 50 a 100 nanometri; l'ampia larghezza di banda li rende particolarmente adatti per laser sintonizzabili e per laser ad impulsi. La rodammina 6G può essere modulata per produrre emissioni che vanno da 635 nm (arancio-rossastro) a 560 nm (giallo-verdastro) e produrre impulsi brevi fino a 16 femtosecondi.Frank J. Duarte, Lloyd W. Hillman, Dye Laser Principles: With Applications, Academic Press, 1990, Pag. 42. Inoltre è sempre possibile sostituire il colorante usato con un altro e cambiare così la lunghezza d'onda e la larghezza di banda, che può così estendersi dal vicino infrarosso all'ultravioletto vicino. A volte questo comporta la sostituzione dell'ottica o di altre parti del laser, come lo specchio o il pompaggio.
L'ampia banda di assorbimento dei coloranti laser è attribuita alla transizione dallo stato elettronico fondamentale S0 al primo stato singlet eccitato S1. Il momento di dipolo per questo passaggio è in genere molto grande e dà origine ad una banda di assorbimento con una energia di oscillazione vicina all'unità. La transizione inversa S1->S0 è responsabile sia della fluorescenza sia dell'emissione stimolata che dà origine al fascio laser.
I laser a coloranti vengono usati anche in dermatologia, per rendere omogenea la tonalità della pelle.
Costruzione Poiché i coloranti organici tendono a degradarsi sotto l'effetto della luce, la soluzione di colorante perde lentamente concentrazione; per ovviare a questo inconveniente viene reintegrata costantemente da un serbatoio esterno. Fisicamente, il liquido viene fatto circolare in una cuvetta, un apposito contenitore di vetro, oppure espulso a pressione da una apposita bocchetta in un getto planare. Entrambe le tecniche hanno pro e contro: con un getto di colorante si evitano le perdite di riflessione sulle superfici di vetro e la relativa contaminazione, al prezzo di un allineamento del fascio più complicato da ottenere e mantenere.
Sostanze chimiche usate Alcuni dei coloranti usati comunemente sono: rodamina (arancio, 540–680 nm), fluorescina (verde, 530–560 nm), cumarina (blu 490–620 nm), stilbene (violetto, 410–480 nm), umbelliferone (blu, 450–470 nm), tetracene, verde malachite e altri.Amnon Yariv, Optical Electronics in Modern Communications, Fifth Edition, pag. 266. Alcuni di questi coloranti vengono utilizzati anche dall'industria alimentare, mentre sono tossici e alcuni anche carcinogeni. La rodamina 6G (cloruro) è fortemente corrosiva per molti metalli, tranne che l'acciaio inox.
Ad alcuni coloranti si mescola adamantano come additivo per rallentarne il degrado fotochimico.
Si possono aggiungere cicloeptatriene e cicloottatetraene (COT) alla rodammina 6G come smorzatori di triplette, aumentandone la potenza laser in uscita: si possono raggiungere potenze di 1,4 kilowatt a 585 nm con Rodammina 6G e COT in soluzione di metanolo e acqua.
Laser a coloranti a banda stretta La banda di emissione dei laser a coloranti è intrinsecamente larga, tuttavia la possibilità di restringere la banda di emissione ha svolto un ruolo importante nel successo dei laser a colorante. Per restringere la banda di emissione vengono utilizzate varie tipologie di cavità e risuonatori che includono reticoli di diffrazione, prismi, sistemi multipli di prismi e Étalon.F. J. Duarte and L. W. Hillman, Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990) Chapter 4.
Il primo tipo di laser a coloranti a banda stretta fu introdotto da Hänsch e utilizzava un telescopio rifrattore come espansore del raggio per illuminare il reticolo di diffrazione.T. W. Hänsch, Repetitively Pulsed Tunable Dye Laser for High Resolution Spectroscopy, Appl. Opt., 11, 895-898 (1972). Vennero poi sviluppati reticoli a incidenza radenteI. Shoshan, N. N. Danon, and U. P. Oppenheim, Narrowband operation of a pulsed dye laser without intracavity beam expansion, J. Appl. Phys. 48, 4495-4497 (1977). e configurazioni multiprismatiche.
Le configurazioni adottate per i risuonatori e gli oscillatori sono state adattate con successo anche ad altri tipi di laser come il diodo laser.P. Zorabedian, Tunable external cavity semiconductor lasers, in Tunable Lasers Handbook, F. J. Duarte (Ed.), Academic, New York, 1995, Chapter 8. I principi fisici alla base dell'impiego di un reticolo multiprismatico per restringere la banda di emissione sono stati spiegati da Duarte e Piper.
Note
Bibliografia
F. P. Schäfer and K. H. Drexhage, Dye Lasers, 2nd rev. ed., vol. 1, Berlin; New York: Springer-Verlag, 1977.
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