# 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 ($^2$P$_{1/2}$) (stato eccitato) → I ($^2$P$_{3/2}$) (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$_2$($^1$Δ$_g$), 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$_2$O$_2$ + 2KOH → O$_2$($^1$Δ$_g$) + 2KCl + 2H$_2$O
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$_2$($^1$Δ$_g$) a riformare lo stato fondamentale dell'ossigeno O$_2$($^3$Σ$_g$$^–$) è "proibito" dalle regole di selezione, e di conseguenza il tempo di vita radiativo di O$_2$($^1$Δ$_g$) è molto lungo, circa 45 minuti. L'ossigeno singoletto si forma nella fase liquida ma passa nella fase gassosa, che viene inviata nella cavità ottica, dove viene iniettato anche iodio molecolare I$_2$. Qui avviene una serie molto complessa di reazioni il cui meccanismo non è stato ancora completamente chiarito. Semplificando, lo stato eccitato O$_2$($^1$Δ$_g$) provoca la dissociazione delle molecole I$_2$ generando iodio atomico allo stato fondamentale I ($^2$P$_{3/2}$):
    O$_2$($^1$Δ$_g$) + I$_2$ → O$_2$($^3$Σ$_g$$^–$) + 2I ($^2$P$_{3/2}$)
Gli atomi di iodio allo stato fondamentale reagiscono con altre molecole di ossigeno singoletto in una reazione di trasferimento di energia, formando ossigeno allo stato fondamentale e atomi di iodio eccitati I ($^2$P$_{1/2}$):
    O$_2$($^1$Δ$_g$) + I ($^2$P$_{3/2}$) ⇄ O$_2$($^3$Σ$_g$$^–$) + I ($^2$P$_{1/2}$)
L'energia posseduta dallo stato eccitato O$_2$($^1$Δ$_g$) è 7882 cm$^{−1}$, mentre l'energia richiesta per promuovere l'atomo di iodio fondamentale a I ($^2$P$_{1/2}$) è 7603 cm$^{−1}$. I due valori di energia sono molto vicini e quindi il trasferimento di energia avviene in condizioni di quasi risonanza ed è particolarmente veloce. L'emissione laser si origina infine nella cavità ottica da emissione stimolata di I ($^2$P$_{1/2}$):
    I ($^2$P$_{1/2}$) + hν → I ($^2$P$_{3/2}$) + 2hν