• rare earth
• spectroscopy
• spettroscopia
• terre rare
• yellow laser
• laser giallo

La ricerca riguardante lo sviluppo ed il perfezionamento di nuove sorgenti laser a stato solido ha conosciuto in questi anni un notevole sviluppo, con interessanti applicazioni nei più svariati campi: biologia, medicina, metrologia, applicazioni industriali ed altri ancora. In particolare, un filone di ricerca molto importante ha riguardato i cristalli isolanti come ospiti di ioni luminescenti quali mezzi attivi. Tra questi, gli ioni di terre rare risultano eccellenti candidati per la realizzazione di laser a stato solido, a causa delle loro peculiari proprietà: presentano infatti degli spettri simili a quelli atomici anche se confinati all'interno di una matrice cristallina. Le transizioni di dipolo nello shell $4f$ risultano essere debolmente permesse ed hanno perciò una vita media relativamente lunga, condizione utile.

Un campo applicativo di particolare interesse è quello metrologico: per poter sfruttare le peculiari proprietà dell'itterbio ed utilizzarlo come standard di frequenza si rende necessaria una sorgente laser alla lunghezza d'onda di 578 nm, attualmente non disponibile. Nei recenti tentativi di messa a punto di un orologio atomico basato su tale elemento l'eccitazione della transizione di clock ha avuto luogo sfruttando la sum frequency generation tra due laser nel vicino infrarosso indotta da un cristallo non lineare, ottenendo così la radiazione a 578 nm richiesta.

Tra tutte le terre rare, la più adatta a fare da mezzo attivo in un laser funzionante a tale lunghezza d'onda è il disprosio: gli ioni disprosio presentano infatti una banda di emissione centrata intorno a 575 nm, e l'inversione di popolazione può essere realizzata pompando con un laser a diodo grazie alla presenza di una banda di assorbimento intorno a 450 nm coincidente con la lunghezza d'onda d'emissione dei laser a diodo in InGaN. Un tale pompaggio risulta essere molto efficiente sia per l'elevata efficienza dei laser InGaN, sia per la corrispondenza tra l'emissione del laser di pompa e il picco d'assorbimento dello ione.

Il lavoro di tesi è perciò focalizzato nella direzione dello sviluppo di una sorgente laser a 578 nm per applicazioni metrologiche negli orologi a base di Yb. Si è proceduto alla crescita, tramite il metodo Czochralski, di un cristallo di LiLuF4 drogato con ioni di disprosio al 4% e di terbio all'1%, del quale si è verificata, attraverso diffrattometria Laue, la struttura cristallina tetragonale e l'orientazione degli assi cristallografici, in modo da poterne tagliare campioni da utilizzare nelle misure spettroscopiche e nell'esperimento laser.

Attraverso misure di spettroscopia in assorbimento e fluorescenza a temperatura ambiente focalizzate sulle regioni spettrali del visibile e del vicino infrarosso, è stato possibile osservare l'assorbimento del livello usato come pompa nella transizione laser, a 450 nm e la transizione laser del disprosio evidenziata da un'emissione nella regione spettrale visibile corrispondente al colore giallo a varie lunghezze d'onda intorno a 575 nm. Sono state calcolate le vite medie dei livelli interessati dalla transizione mediante spettroscopia con laser impulsato, ottenendo una vita media di 589 microsecondi per il livello alto della transizione laser e di 59 microsecondi per il livello basso. Quest'ultima si rivela breve grazie al codrogaggio del cristallo con il terbio, in particolare grazie all'interazione non radiativa tra il livello basso della transizione laser con i livelli del terbio che si trovano ad energie prossime, rendendolo un buon livello inferiore per una transizione laser. Dalle misure di spettroscopia si sono inoltre calcolate le sezioni d'urto del disprosio per l'assorbimento a 450 nm e per l'emissione nella regione spettrale del giallo intorno a 575nm.

L'emissione laser del disprosio è stata a tutti gli effetti verificata posizionando il cristallo all'interno di una cavità emifocale e pompando con un laser a diodo InGaN alla lunghezza d'onda di 450,1 nm. Si osservata per la prima volta l'emissione laser in onda continua a 574 nm calcolandone l'efficienza di slope al variare dell'output coupler inserito nella cavità studiando la potenza laser emessa in funzione di quella assorbita dal cristallo. Si è ottenenuta un'efficienza dell'8,2% facendo uso di uno specchio con riflettività del 99,8%, ed un'efficienza del 13,4% con uno specchio di riflettività 99,5%. Inoltre, facendo uso di un diverso output coupler, è stata osservata un'ulteriore emissione laser a 578nm che si è rivelata tuttavia troppo discontinua per poter essere oggetto d'indagini quantitative.