Quali fattori influenzano la qualità del raggio?

Nella fisica del laser, la qualità del raggio si riferisce a quanto bene un raggio laser rimane focalizzato. Maggiore è la qualità, minore è la divergenza nel raggio. La qualità del raggio può essere influenzata da una serie di fattori, come il tipo e la qualità dei componenti del laser, il tipo di mezzo di guadagno laser utilizzato, il metodo di pompaggio ottico utilizzato, il livello di potenza e le sollecitazioni meccaniche e termiche sul laser.

C'è un compromesso tra qualità del fascio e potenza del fascio. Quando l'energia viene pompata nel mezzo di guadagno del laser, che il laser utilizza per amplificare la luce, parte dell'energia si convertirà in calore. Il calore in eccesso può provocare gradienti di temperatura nel mezzo che producono un effetto di lente termica, riducendo la qualità del raggio. Ciò rende importante il tipo di mezzo di guadagno utilizzato.

I laser a gas tendono ad essere meno vulnerabili alle lenti termiche a causa della minore densità dei loro media e i laser ad anidride carbonica possono mantenere un'alta qualità del fascio a livelli di potenza molto elevati. Tra i laser a stato solido, le più elevate qualità del fascio sono prodotte da laser a fibra monomodale e laser a disco sottile. I laser a fibra usano vetro di biossido di silicio drogato con ioni di terre rare come itterbio o neodimio come mezzo di guadagno, e i laser a disco sottile usano cristalli di granato di alluminio di ittrio drogati con ioni di itterbio trivalenti. Questi laser possono mantenere una qualità del fascio molto elevata anche a livelli di potenza di diversi kilowatt. A livelli di potenza inferiori, è possibile produrre una qualità del fascio estremamente elevata con laser a gas al neon elio e laser a semiconduttore ad emissione di superficie.

Anche altri componenti del design del laser sono importanti per la qualità del raggio, come le dimensioni e la configurazione del risonatore ottico del laser. I progetti che iniettano luce nel mezzo di guadagno lungo il percorso del raggio laser, una tecnica chiamata end-pumping, producono una qualità del raggio superiore rispetto ai laser a pompaggio laterale. I pulitori di modalità possono essere utilizzati per migliorare la qualità del raggio o facendo passare il raggio attraverso una fibra monomodale o usando una lente per focalizzare un raggio non collimato attraverso un foro stenopeico e in una seconda lente che ricollima il raggio.

Anche la qualità del raggio è influenzata dalle condizioni dei componenti del laser. I laser a stato solido possono subire una riduzione della qualità se ci sono difetti nella superficie del suo supporto, che possono causare distorsioni e dispersioni del fronte d'onda. La qualità è inoltre danneggiata da componenti disallineati, che possono essere causati da sollecitazioni meccaniche, variazioni di temperatura nell'ambiente del laser o espansione termica dal calore stesso del laser. Anche i difetti dell'obiettivo possono influire sulla qualità.