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Lo studio e lo sviluppo di sorgenti laser a stato solido pompate con laser a diodo (DPSSL) con emissione nel vicino infrarosso è di grande interesse a causa delle numerose possibilità applicative. Oggi i ricercatori possono scegliere tra una gran varietà di matrici cristalline e droganti per lo sviluppo di sorgenti che soddisfino le necessità in termini di lunghezza d’onda di emissione, sintonizzabilità, potenze di uscita e caratteristiche degli impulsi.
Gli ioni trivalenti di terre rare sono largamente utilizzati come ioni attivi in materiali laser in un’ampia regione spettrale che va dall’ultravioletto (UV) all’infrarosso (IR). L’interesse rivolto a questa classe di elementi è dovuto alle loro peculiari proprietà spettroscopiche: livelli eccitati metastabili, bassa interazione con il campo cristallino e righe spettrali “atom-like”,molto strette rispetto a quelle che solitamente si osservano nello stato solido.
La regione spettrale attorno ai 2 μm è denominata eye-safe. La radiazione con lunghezza d’onda superiore a 1.6 μm `e infatti fortemente assorbita dall’acqua, e questo fa si che, nell’occhio, essa venga assorbita dalla cornea e dal cristallino senza raggiungere la più sensibile rètina. Ciò conferisce ai laser operanti in questa regione dei vantaggi nelle applicazioni in campo aperto come LIDAR (LIght Detection And Ranging), monitoraggio, comunicazioni ottiche e rilevamento di gas in atmosfera. L’assorbimento dell’acqua in questa regione apre inoltre numerose possibilità in campo medico come bisturi laser e degradazione dei tessuti. Ulteriori impieghi si trovano in spettroscopia nel pompaggio di laser basati su Ho3+ o Cr2+ e nel pompaggio di Optical Parametric Oscillators (OPOs) al fine di ottenere sorgenti nel medio infrarosso. Lo sviluppo di laser a diodo AlGaAs che emettono intorno a 790 nm, ha permesso di implementare uno schema di pompaggio ottico molto efficiente per il Tm3+ per l’emissione nella regione dei 2μm.
Il neodimio trivalente `e stata la prima terra rara impiegata come ione attivo per l’emissione laser e continua ad avere una posizione predominante, grazie allo schema di pompaggio molto efficiente. La riga di emissione a 1 μm trova numerosi impieghi nella lavorazione dei materiali, nella ricerca scientifica, e in campo medico e militare. Negli ultimi anni sono stati dedicati numerosi sforzi nella ricerca di matrici cristalline da drogare con terre rare per la realizzazione di DPSSL.
In particolare sono stati oggetto di studio i cosiddetti “cristalli disordinati multisito”. In questi materiali alcuni atomi, tra cui il drogante, possono occupare siti cristallini a diversa simmetria. Ciò si rispecchia nelle proprietà spettroscopiche. Si osservano bande di assorbimento ed emissione più larghe, che rendono questa classe di materiali adatti all’impiego in regime impulsato e per la realizzazione di sorgenti sintonizzabili. Inoltre è stata dimostrata, in alcune di queste matrici, l’emissione simultanea su più righe, che può essere sfruttata per ottenere radiazione nella regione del THz.
Il lavoro di tesi si è concentrato sul granato di lutezio gallio e gadolinio (Lux Gd(1−x) )3Ga5O12 drogato con tulio trivalente (Tm:LGGG) o neodimio trivalente (Nd:LGGG).
L’elemento di novità riguarda il Tm:LGGG. Abbiamo effettuato la prima caratterizzazione spettroscopica di questo materiale, su sei campioni a diverse concentrazioni di tulio e lutezio. La spettroscopia a bassa temperatura ha permesso di stimare le energie dei sottolivelli Stark dei livelli coinvolti nell’emissione laser. Queste misure hanno messo in evidenza la natura multi-sito del LGGG. Con i dati spettroscopici sono state calcolate, la sezione d’urto di emissione stimolata e la curva di guadagno del mezzo. L’emissione laser attorno ai 2 μm in regime continuo (CW) `e stata dimostrata per tutti i campioni, per la prima volta in questo materiale. Abbiamo ottenuto una conversione massima tra la potenza assorbita dal mezzo attivo e la potenza emessa come laser (slope efficiency) del 21% e una potenza massima d’uscita di 170 mW. L’emissione è centrata intorno a 2013 nm e presenta una struttura multilinea.
La seconda parte della tesi è consistita nella caratterizzazione di una cavità ottica per l’emissione a 1 μm, in vista di futuri studi su materiali laser in regime impulsato. È stata studiata l’emissione laser di un campione di Nd:LGGG in regime CW e in regime impulsato. Il regime impulsato di Q-switching passivo è stato ottenuto ponendo un assorbitore saturabile di Cr4+ :YAG in cavità. La slope misurata per il funzionamento in regime continuo è del 50%. Sono state indagate le proprietà degli impulsi (forma, frequenza e larghezza) in funzione della potenza assorbita e della posizione dell’assorbitore saturabile in cavità.