Laser ossigeno-iodio
# Laser ossigeno-iodio

Il laser ossigeno-iodio, noto con l'acronimo COIL (Chemical Oxygen Iodine Laser), è un laser chimico, cioè un laser che sfrutta l'energia prodotta da una reazione chimica esotermica per ottenere la necessaria inversione di popolazione, anziché basarsi su un pompaggio ottico o elettrico come avviene nei laser tradizionali. Il COIL può funzionare in modo pulsato oppure continuo, con una potenza che può superare il megawatt. A differenza degli altri laser chimici, che si basano su transizioni tra stati vibrazionalmente eccitati, il COIL sfrutta transizioni tra stati elettronici atomici. La radiazione laser emessa nel vicino infrarosso a 1315 nm è infatti dovuta ad una transizione tra stati elettronici dello iodio atomico I:

    I $(^2P_{1/2})$ (stato eccitato) → I $(^2P_{3/2})$ (stato fondamentale)

La lunghezza d'onda emessa, 1315 nm, è adatta all'uso sia in atmosfera che lungo fibre ottiche. Per le sue caratteristiche il COIL è considerato adatto per applicazioni sia militari che industriali, ma i costi risultano ancora elevati rispetto ad altri laser comuni come il laser a $CO_2$ e il laser Nd:YAG.

Il primo COIL è stato descritto nel 1978. In seguito fu sviluppato dalla United States Air Force per scopi militari. È stato il principale armamento laser per i programmi Airborne Laser e Advanced Tactical Laser, che non sono mai diventati operativi.

Uno degli svantaggi del COIL è che il suo funzionamento richiede la presenza di reattivi chimici in due fasi (liquido/gas). Il laser a iodio in fase totalmente gassosa (AGIL = all gas-phase iodine laser) è un laser chimico che si basa anch'esso sull'emissione a 1315 nm dovuta allo iodio atomico, ma nel quale i reagenti utilizzati sono tutti allo stato gassoso, con vantaggi in termini di peso. Per questo motivo il laser AGIL è considerato più promettente del COIL per applicazioni aerospaziali.

## Principio di funzionamento

Lo schema di principio del funzionamento del COIL può essere illustrato nel modo seguente.

Per prima cosa bisogna produrre ossigeno singoletto, rappresentato con la notazione $O_2(^1Δ_g),$ che è uno stato elettronico eccitato della molecola di ossigeno. L'ossigeno singoletto viene prodotto per via chimica, facendo reagire cloro gassoso con una soluzione basica di perossido di idrogeno:

    $Cl_2$ + $H_2O_2$ + 2KOH → $O_2(^1Δ_g)$ + 2KCl + $2H_2O$

Questa reazione è fortemente esotermica. La maggior parte dell'energia si libera come calore, ma in parte serve a generare l'ossigeno singoletto. L'ossigeno singoletto ha proprietà peculiari. In particolare il decadimento di $O_2(^1Δ_g)$ a riformare lo stato fondamentale dell'ossigeno $O_2(^3Σ_g^–)$ è "proibito" dalle regole di selezione, e di conseguenza il tempo di vita radiativo di $O_2(^1Δ_g)$ è molto lungo, circa 45 minuti. L'ossigeno singoletto si forma nella fase liquida ma passa nella fase gassosa, che viene inviata nella cavità ottica, dove viene iniettato anche iodio molecolare $I_2.$ Qui avviene una serie molto complessa di reazioni il cui meccanismo non è stato ancora completamente chiarito. Semplificando, lo stato eccitato $O_2(^1Δ_g)$ provoca la dissociazione delle molecole $I_2$ generando iodio atomico allo stato fondamentale I $(^2P_{3/2}):$

    $O_2(^1Δ_g)$ + $I_2$ → $O_2(^3Σ_g^–)$ + 2I $(^2P_{3/2})$

Gli atomi di iodio allo stato fondamentale reagiscono con altre molecole di ossigeno singoletto in una reazione di trasferimento di energia, formando ossigeno allo stato fondamentale e atomi di iodio eccitati I $(^2P_{1/2}):$

    $O_2(^1Δ_g)$ + I $(^2P_{3/2})$ ⇄ $O_2(^3Σ_g^–)$ + I $(^2P_{1/2})$

L'energia posseduta dallo stato eccitato $O_2(^1Δ_g)$ è 7882 $cm^{−1},$ mentre l'energia richiesta per promuovere l'atomo di iodio fondamentale a I $(^2P_{1/2})$ è 7603 $cm^{−1}.$ I due valori di energia sono molto vicini e quindi il trasferimento di energia avviene in condizioni di quasi risonanza ed è particolarmente veloce. L'emissione laser si origina infine nella cavità ottica da emissione stimolata di I $(^2P_{1/2}):$

    I $(^2P_{1/2})$ + hν → I $(^2P_{3/2})$ + 2hν
