Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni

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All’interno di questo articolo ti illustrerò i principali funzionamenti della tecnologia laser, i meccanismi fisici da essa utilizzati, i processi alla base del lasering e le sue applicazioni in ambito Hi Tech.

STORIA DEL LASER

Il LASER, acronimo che sta per “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” ( in italiano: “amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione” )  è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio di luce coerente e serve ad amplificare una radiazione incidente.

Nel 1917 Albert Einstein formulò le basi teoriche del laser e del maser nell’articolo Zur Quantentheorie der Strahlung (sulla teoria quantistica delle radiazioni) attraverso una riderivazione delle leggi sulla radiazione di Max Planck.

Nel 1928 Rudolf W. Ladenburg dimostrò l’esistenza dell’emissione stimolata e dell’assorbimento negativo.

Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse l’uso dell’emissione stimolata per amplificare onde corte e nel 1947, Willis E. Lamb e R. C. Retherford effettuarono la prima dimostrazione dell’emissione stimolata.

Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni

Albert Einstein
Rudolf Ladenburg
Willis Lamb
Valentin Alexandrovich Fabrikant
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Alfred Kastler
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Charles Hard Townes

Nel 1950 Alfred Kastler propose il metodo per il pompaggio ottico confermato sperimentalmente 2 anni dopo da Brossel e Winter. Tuttavia, si può affermare che la storia del Laser abbia origini nel 1954 con l’invenzione da parte di C. H. Townes del MASER, che produceva fasci ottici nell’intervallo delle microonde eccitando a determinati livelli l’ammoniaca. La comunità scientifica allora si mise subito a lavorare per trasferire questa tecnologia dalle microonde all’intervallo delle frequenze di luce visibile. Ci riuscì T. H. Maiman nel 1960, il quale utilizzò un laser a rubino. Da allora ci furono notevoli sviluppi che migliorarono le efficienze e i metodi di utilizzo dei laser, fino ad arrivare ai giorni nostri.

Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Theodore Harold Maiman

Maiman chiamò inizialmente la sua invenzione LOSER acronimo di “Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation”, formalmente più corretto. Tuttavia, il nome venne cambiato onde evitare umorismi che certo avrebbero compromesso lo sviluppo di questa rivoluzionaria tecnologia, motivo per il quale, il nome venne in seguito modificato in LASER.

Il laser ottenne un enorme successo nella comunità scientifica, tanto che venne impiegato in numerosi esperimenti. Tra questi, il più conosciuto fu quello condotto nel 1969, quando il laser sviluppato da Maiman fu proiettato verso la Luna dove venne riflesso da uno specchio posizionato durante la missione statunitense Apollo. Tale esperimento diede un’idea approssimativa di quali distanze potesse coprire la nuova tecnologia.

MECCANISMI FISICI SFRUTTATI NELLA TECNOLOGIA LASER

Il principio alla base della tecnologia laser è quello di indurre gli elettroni di un materiale a compiere due transizioni energetiche, consecutive e opposte: la 1° consiste nel promuovere un elettrone dal suo livello energetico fondamentale (ossia dove esso sosta per la maggior parte del tempo) a un livello superiore, mentre la 2° transizione è speculare alla prima, rispedendo l’elettrone sul livello di partenza. Per comprendere come avvengono questi 2 processi, però, bisogna fare un passo indietro e mostrare un paio di concetti fondamentali. Compresi questi saprete come funziona una qualunque tecnologia laser.

Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni

Già nel 1600 esistevano 2 teorie sulla natura della luce, una sostenuta da Huygens per la quale essa dovesse essere trattata come un’onda, e l’altra difesa da Newton che asseriva che invece la luce si comportasse come un corpuscolo. All’epoca queste 2 visioni erano contrapposte e a prevalere fu quella di Huygens. Tuttavia, agli inizi del 1900 alcuni fisici (Planck, Einstein, de Broglie e altri) fecero chiarezza sulla questione: la luce può essere trattata sia come una serie di onde elettromagnetiche, sia come corpuscolo, anche se in contesti differenti. Al “corpuscolo” venne dato il nome di “fotone” e la sua caratteristica principale è l’energia che si porta con sé.

Schema di funzionamento del laser

Il laser è essenzialmente composto da 3 parti:

  1. un mezzo attivo, cioè un materiale (gas, cristallo, liquido) che emette la luce;
  2. un sistema di pompaggio, che fornisce energia al mezzo attivo;
  3. una cavità ottica, o risonatore ottico, ossia una trappola per la luce.

Nel laser si sfrutta il mezzo attivo, il quale possiede la capacità di emettere radiazioni elettromagnetiche (fotoni) quando attivato. Dal mezzo attivo dipende la lunghezza d’onda dell’emissione. Il mezzo attivo può essere gassoso (ad esempio anidride carbonica, miscela di elio e neon ), liquido ( solventi, come metanolo, etanolo o glicole etilenico ) o solido (rubino, neodimio, semiconduttori e altri). Il sistema di pompaggio fornisce energia al mezzo attivo portandolo all’eccitazione con emissione di fotoni. L’eccitazione può avvenire tramite:

  • Pompaggio ottico (lampade stroboscopiche, diodi laser o altro).
  • Urti elettronici (scarica elettrica in gas con sorgente di corrente continua, impulsata, di radio frequenza ).
  • Effetto Penning;
  • Trasferimento risonante di energie.

Le radiazioni emesse vengono concentrate attraverso una cavità ottica con pareti interne riflettenti, e una zona di uscita semi-riflettente. Quest’ ultima superficie è l’unica che consente la fuoriuscita del raggio, il quale viene successivamente lavorato e riposizionato attraverso una serie di lenti e specchi per far sì che il raggio risultante abbia la posizione, concentrazione e ampiezza desiderate.

Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni

Caratteristiche e proprietà della radiazione laser

  • Direzionalità: al contrario delle sorgenti elettromagnetiche tradizionali, il laser emette la radiazione in un’unica direzione. Più precisamente l’angolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo; una buona descrizione della propagazione e collimazione di un fascio laser è data dall’ottica dei fasci gaussiani.
  • Monocromaticità: l’allargamento della banda di emissione è dato dalla larghezza naturale e dall’effetto Doppler. In spettroscopia si sfrutta questa caratteristica per ottenere spettri ad alta risoluzione.
  • Radianza: nei laser la quantità di energia emessa per unità di angolo solido è incomparabilmente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali. In particolare è elevato il numero di fotoni per unità di frequenza. Questa caratteristica è diretta conseguenza delle 2 precedentemente citate. Grazie a questa caratteristica si ha la possibilità di osservare fenomeni particolari, come per esempio l’assorbimento a molti fotoni. L’elevata intensità ha trovato anche diverse applicazioni tecnologiche – industriali, come per esempio nel taglio dei metalli.
  • Coerenza: mentre nell’emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell’emissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto l’emissione. La fase viene quindi mantenuta nel tempo e nello spazio.
  • Impulsi ultra-brevi: con diverse tecniche è possibile costruire laser che emettano pacchetti di onde estremamente stretti nel dominio del tempo, attualmente si è giunti allo sviluppo di impulsi dell’ordine del femtosecondo.
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni

Processi alla base del lasering

Le interazioni principali che avvengono tra elettrone e fotone sono 3: l’assorbimento, l’emissione spontanea e l’emissione stimolata. Si ha assorbimento nel momento in cui l’energia del fotone viene trasferita all’elettrone e questo passa dal suo livello fondamentale a uno superiore.

Qui, l’elettrone risulta instabile e quindi dopo un certo tempo più o meno breve tenderà autonomamente a ritornare nel suo stato iniziale; facendolo, rilascia un altro fotone per cosiddetta emissione spontanea, appunto perché l’elettrone ritorna allo stato a più bassa energia da solo. Tuttavia, questo non è l’unico modo per far ritornare un elettrone nello stato fondamentale: infatti è possibile inviare un secondo fotone verso l’elettrone il quale, anziché assorbirlo di nuovo, viene indotto a rilassare allo stato inferiore rilasciando il vecchio fotone e quello nuovo. Inviando il secondo fotone se ne ottengono due in uscita, ottenendo quindi amplificazione del secondo fascio in entrata. Questo effetto prende il nome di emissione stimolata.

Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Processo dell’emissione stimolata, alla base della tecnologia laser: un elettrone già eccitato decade a causa di un secondo fotone, rilasciando due fotoni con uguale energia e direzione.

ASSORBIMENTO ED EMISSIONE

L’assorbimento e l’emissione stimolata sono i 2 processi che sottendono al funzionamento di una qualsiasi tecnologia laser, i quali devono avvenire in maniera tempestiva uno dopo l’altro per evitare che, dopo l’assorbimento, l’elettrone non incorra nell’emissione spontanea. Il motivo per cui la si vuole evitare è che i fotoni emessi spontaneamente vengono inviati in maniera totalmente casuale gli uni con gli altri, cioè vanno in ogni direzione, mentre quelli emessi in maniera stimolata escono paralleli ai fotoni incidenti. Poiché i fotoni così prodotti possono andare a stimolare altri elettroni nello stato eccitato, si genera una cascata di fotoni tutti quanti paralleli tra loro.

Per avere un processo di emissione laser efficiente bisogna portare tanti elettroni nello stato eccitato, in numero sufficientemente grande da avere la cosiddetta inversione di popolazione, ossia il punto in cui gli elettroni eccitati per assorbimento di fotone sono di più rispetto a quelli nello stato fondamentale. Riuscire ad ottenere questa situazione non è banale per quello che si è detto, cioè perché gli elettroni tendono spontaneamente a ricadere sul livello fondamentale.

È possibile, comunque, ottenere l’inversione di popolazione attraverso vari sistemi (gli interessati possono fare una ricerca riguardo i sistemi laser a 2, 3 e 4 livelli). Quando questa condizione viene realizzata diventa più probabile che, nel momento in cui viene irradiato il secondo fotone sul sistema, questo incontri un elettrone nello stato eccitato causando emissione stimolata e quindi lasering.

APPLICAZIONI HI-TECH

Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni
Tecnologia laser: meccanismi fisici e applicazioni

Come già accennato all’inizio dell’articolo, la tecnologia laser è tanto efficiente da essere impiegata, tra gli innumerevoli altri processi, nella lavorazione dei metalli. Infatti, utilizzando fasci laser sufficientemente potenti si può riscaldare il reticolo che costituisce il solido fino a superare la sua temperatura di fusione. A quel punto, viene utilizzato un getto di gas per soffiare via il colato per ottenere bordi abbastanza rifiniti ( proprietà che dipende dal tipo di materiale sottoposto a lavorazione ).

Un’altra applicazione molto diffusa è la metrologia, ovvero la misura delle distanze tra due oggetti: si manda un impulso laser contro l’oggetto d’interesse e si misura il tempo che esso ci impiega a tornare. Moltiplicando banalmente la metà del tempo di andata-ritorno per la velocità della luce si otterrà la distanza.

ALTRE APPLICAZIONI:

Sempre sfruttando gli impulsi ultra-brevi, è possibile monitorare ad alta risoluzione temporale fenomeni di durata cortissima fotografando istante per istante l’intero svolgimento del processo, un po’ come mandando a rallentatore un video salvando ogni fotogramma. Certi laser possono arrivare a catturare fino a 1012 frame al secondo! Basata sulla tecnologia laser è anche la fototermolisi selettiva, tecnica utilizzata per la famosa epilazione. Anche qui si utilizzano i laser a impulso per irradiare la melanina, la sostanza che dà colore alla pelle, la quale trasforma la luce in calore e va a danneggiare selettivamente i bulbi dai quali crescono i peli.

 Ancora, se un fascio laser viene focalizzato in un punto di dimensioni ridotte è possibile intrappolare una particella all’interno del fascio e spostarla ovunque si desidera. Questa tecnologia è chiamata optical tweezers e ha trovato applicazioni soprattutto nell’ambito biomedico: infatti, è possibile spostare le cellule dovunque si voglia solo focalizzando su di esse il fascio di luce che le blocca al centro per via della rifrazione dei fotoni.

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