Laser

1

Introduzione

Laser Dispositivo che amplifica la luce producendo fasci luminosi monocromatici e coerenti, con frequenze dall'infrarosso all'ultravioletto e, recentemente, anche nella gamma dei raggi X. La luce del laser è caratterizzata da alta potenza e forte direzionalità. Il termine è un acronimo dell’inglese Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione). Dispositivi analoghi che funzionano nel campo di frequenze delle microonde sono detti maser.

2

Principio di funzionamento

Il funzionamento del laser si basa sull'emissione stimolata di radiazione da parte degli atomi di una sostanza opportuna, detta materiale attivo. Gli atomi vengono dapprima “eccitati”, ovvero portati a un livello energetico superiore mediante una sorgente energetica esterna (pompaggio), quindi vengono “stimolati” a emettere l'energia immagazzinata per mezzo di una radiazione esterna di frequenza determinata. I fotoni che costituiscono la radiazione emessa hanno la frequenza caratteristica degli atomi da cui sono stati emessi, e viaggiano in fase con i fotoni stimolatori.

L'amplificazione della luce è ottenuta mediante successive riflessioni dei fotoni in una cavità risonante, essenzialmente costituita da due specchi paralleli posti alle estremità dello strumento, di cui uno totalmente e l'altro parzialmente riflettente. Durante il percorso fra uno specchio e l'altro, i fotoni colpiscono altri atomi eccitati, che a loro volta emettono nuovi fotoni, caratterizzati dalla medesima frequenza e fase dei fotoni già presenti, generando quindi una radiazione monocromatica, estremamente coerente e di alta intensità. Parte di questa radiazione viene poi fatta filtrare all'esterno attraverso lo specchio semiargentato.

Il processo di emissione stimolata fu descritto su basi teoriche da Albert Einstein nel 1917. Nel 1958 i fisici statunitensi Arthur Schawlow e Charles Hard Townes brevettarono il primo dispositivo laser, ma la paternità della scoperta venne reclamata dal loro connazionale Gordon Gould. Due anni dopo il fisico Theodore Maiman osservò il primo fascio laser in un cristallo di rubino e nello stesso periodo il fisico statunitense di origine iraniana Ali Javan costruì il primo dispositivo a elio-neon.

3

Tipi di laser

I laser vengono classificati, a seconda della natura del materiale attivo utilizzato, in laser a stato solido, a gas, a semiconduttore, a liquido e laser a elettroni liberi.

3.1

Laser a stato solido

I materiali più comuni impiegati nei laser a stato solido sono barrette di cristallo di rubino o di vetro drogati con neodimio. Le estremità delle barrette sono costituite da due superfici parallele ricoperte con uno strato sottile di materiale non metallico, altamente riflettente. I laser a stato solido offrono la più alta potenza d'uscita e solitamente generano sequenze di impulsi luminosi molto intensi e di brevissima durata. Il pompaggio si ottiene mediante luce proveniente da tubi flash a xeno, lampade ad arco o lampade a vapori di metallo. La gamma di frequenze dei laser a stato solido oggi è stata estesa dal caratteristico infrarosso (IR) all'ultravioletto (UV), utilizzando cristalli di diidrofosfato di potassio che funzionano da “moltiplicatori” della frequenza luminosa; se i fotoni vengono fatti interagire con un bersaglio di cristalli di ittrio posto all'interno della cavità risonante, la frequenza della luce laser in uscita può essere aumentata fino a quella caratteristica dei raggi X.