Nuovi progressi nella tecnologia del laser nel medio infrarosso

La regione del medio infrarosso è particolarmente interessante per molte applicazioni poiché le frequenze elettromagnetiche interessate coincidono con le frequenze del moto vibrazionale interno della maggior parte delle molecole. Lo sviluppo di sorgenti luminose nel medio infrarosso apre così nuove opportunità, specialmente nell’ambito della spettroscopia, rappresentando un’alternativa agli spettrometri in trasformata di Fourier. I vantaggi principali che ne derivano sono una maggiore coerenza, una minore durata degli impulsi e un’alta luminosità spettrale.

I ricercatori nell’ambito di ASEL-MID-IR (Compact, high-energy, and wavelength-diverse coherent mid-infrared source) hanno lavorato per convertire le frequenze dei laser allo stato solido che operano nel vicino infrarosso al medio infrarosso. Un oscillatore parametrico ottico (OPO) contenente elementi non lineari convertiva le onde laser in ingresso (pompa) di laser allo stato solido in onde di maggiore lunghezza.

A seguito di una revisione dettagliata della letteratura relativa all’architettura dei laser allo stato solido, i ricercatori hanno utilizzato un laser drogato al tullio e un laser a olmio Q-switched YAG operante a 2,1 μm. Queste sorgenti di pompa mostrano migliori capacità di gestione termica e di modifica di scala della potenza rispetto ai convenzionali laser allo stato solido da 1 μm. Un OPO costruito da un cristallo ZnGeP2 con non linearità di secondo ordine convertiva la lunghezza d’onda delle sorgenti di pompa in onde nel medio infrarosso.

Il laser YAG drogato a olmio produceva oltre 25 W di potenza a impulsi in uscita a 2,1 μm, con un tasso di ripetizione dell’impulso di 10-200 kHz e una durata dell’impulso inferiore a 15 ns. L’OPO contenente il cristallo ZGP produceva un segnale in uscita a banda larga nel medio infrarosso con una potenza media superiore a 5 W e uno spettro che si estendeva da 3,5 a 5 μm. L’efficienza di conversione era pari a circa il 40 %, superiore alle stime iniziali.

L’uso di configurazioni alternative dell’OPO, come ad esempio un OPO intra cavità, ha mostrato che il segnale in uscita può essere riconvertito nel segnale di pompa, imitando efficacemente un mezzo non lineare del terzo ordine. Per sfruttare la generazione di terza armonica, il team ha usato un laser Raman a cavità esterna con un cristallo BaWO4. La lunghezza d’onda generata in uscita era la più lunga mai riportata che mostrava una modifica di scala della potenza in uscita a livello di watt. La sovrapposizione dell’ampiezza spettrale della sorgente con la finestra di assorbimento del vapore acqueo apre nuove applicazioni nei settori dell’igrometria a infrarossi e del rilevamento di gas.

I ricercatori in sostanza hanno sostituito il laser drogato al tullio con un laser a diodi interno al tullio contenente un cristallo YLF quale mezzo per l’emissione laser per fornire un involucro compatto per il prototipo.

Le applicazioni stanno aumentando per i laser nel medio infrarosso. I prototipi compatti e portatili di ASEL-MID-IR per le sorgenti luminose nel medio infrarosso con alti tassi di ripetizione dell’impulso e un’elevata potenza in uscita possono portare benefici ad applicazioni nel campo della sicurezza, della diagnostica medica e del rilevamento di gas.