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alla Macro Area: SENSORI & IMAGINGalla Linea di Ricerca: Laser a Stato Solido
Laser con pompaggio a diodi per amplificatori di impulsi ultracorti (Diomede)

Lo sviluppo di sorgenti di elettroni, protoni e radiazione X/gamma, per applicazioni di tipo sia diagnostico che terapeutico, sta oggi assumendo una nuova prospettiva legata alle nuove tecniche di accelerazione di particelle basate sui laser ad impulsi ultracorti. Esperimenti in laboratorio hanno già dimostrato la possibilità di produrre fasci di elettroni e protoni ad energie di interesse biomedico con apparati di dimensioni drasticamente più compatte di quelle convenzionali attualmente in uso e basate su accelerazione di particelle a radiofrequenza. Sono attualmente in corso studi sperimentali destinati a consolidare questi risultati a livello applicativo che consentiranno quindi di realizzare impianti in grado di rimpiazzare quelli attualmente in uso.
Sarà quindi possibile ridurre drasticamente le dimensioni (e quindi i costi) degli impianti attualmente in uso e consentire quindi un impiego più omogeneo sul territorio di tecniche diagnostiche e terapeutiche avanzate quali la radiografia con fascio di raggi X monocromatico, la adroterapia, la radioterapia intraoperatoria (IORT), per citarne alcune.
In questa prospettiva è richiesta la disponibilità di sistemi laser ad alta potenza di picco (10^15 Watt) ed alta potenza media (kW) in grado di sostenere il funzionamento delle sorgenti per i tempi necessari agli usi medici. La concomitanza di potenze di picco e potenze medie elevate pone un problema di efficienza energetica dei sistemi laser ad impulsi ultracorti, attualmente basati su sorgenti di pompaggio ottico a bassissima efficienza. Queste tecniche pongono un limite alla realizzabilità di sistemi laser ad alta potenza media a causa della potenza elettrica necessaria al funzionamento, oltre che alla gestione della ingente quantità di calore da dissipare.
Una tecnica di pompaggio ad alta efficienza, già ampiamente sfruttata in sistemi laser ad emissione continua, consiste nell’utilizzo dei laser a diodi, in grado di realizzare un pompaggio selettivo e quindi ad alta efficienza, passando da valori prossimi allo 0.1% a valori superiori al 10%, con un guadagno di oltre 2 ordini di grandezza.
È quindi ipotizzabile l’impiego di queste tecniche di pompaggio a diodi per rimpiazzare le sorgenti basate su flash negli attuali sistemi laser ad impulsi ultracorti del tipo a Titanio di Zaffiro (Ti:Sa).
L’idea di base è di utilizzare cristalli di Yb:YAG che sono caratterizzati da vita media di ≈ms, molto più lunga di quella del Nd:YAG. Questa caratteristica del Yb:YAG ne consente il pompaggio ottico tramite diodi laser a ≈940 nm di lunghezza d’onda di emissione, un tipo di diodi laser facilmente reperibili sul mercato e a costi moderati. Il risultato finale è un sistema laser ad alta efficienza (≈20%) ad una frequenza fondamentale di 1030 nm, che può essere a sua volta duplicato in frequenza per ottenere i 515 nm necessari per il pompaggio ottico del Ti:Sa.


Distribuzione di temperatura di una slab di Yb:YAG cilindrica di 10 mm di diametro e 3 mm di spessore (vedi P.ferrara et al., OPEX 2014).

Un amplificatore multipasso al Ti:Sa per impulsi laser ai femtosecondi.
Personale INO:

Dipendenti: Gizzi Leonida Antonio, Lapucci Antonio, Vannini Matteo, Ciofini Marco, Labate Luca, Toci Guido

UOS/Laboratorio INO:
INO Sede Principale di Arcetri, Sezione INO di Pisa - "Adriano Gozzini", Sezione INO di Sesto Fiorentino presso l'Area di Ricerca di Firenze
Area/e Applicativa:
Aerospazio, Beni Culturali, Energia & Ambiente, Ricerca, Istruzione e formazione, Scienze della Vita & Salute
Principali Prodotti della Ricerca associati:
1) 3-D numerical simulation of Yb:YAG active slabs with longitudinal doping gradient for thermal load effects assessment su Optics Express (2014) di Ferrara P., Ciofini M., Esposito L., Hostaša J., Labate L., Lapucci A., Pirri A., Toci G., Vannini M., Gizzi LA. (Articolo su Rivista JCR/ISI)
2) Characterization of Yb:YAG active slab media based on a layered structure with different doping su Proceedings Of Spie (2013) di Lapucci A., Ciofini M., Esposito L., Ferrara P., Gizzi LA., Hostaša J., Labate L., Pirri A., Toci G., Vannini M. (Articolo su Rivista JCR/ISI)


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