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.

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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.

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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.

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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.

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Laser a gas

Il materiale usato in questi laser può essere costituito da un gas puro, una miscela di gas o da vapori metallici, e solitamente è contenuto in un tubo cilindrico di vetro o di quarzo. Due specchi sono posti alle estremità del tubo per formare la cavità risonante. I laser a gas vengono pompati mediante luce ultravioletta, fasci di elettroni, corrente elettrica o reazioni chimiche. Il laser a elio-neon è noto per l'alta stabilità di frequenza, la purezza del colore e l'alto grado di collimazione del fascio prodotto. I laser a diossido di carbonio sono i più efficienti e potenti laser a onda continua.

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Laser a semiconduttore

Di dimensioni particolarmente compatte, i laser a semiconduttore sono basati su una giunzione tra semiconduttori dotati di diversa conducibilità elettrica. La cavità risonante è confinata alla zona di giunzione per mezzo di due pareti riflettenti. Il semiconduttore più usato e più efficiente è l'arseniuro di gallio. Questi laser sono pompati mediante l'applicazione diretta di corrente elettrica alla giunzione, e possono operare in modalità a onda continua con un rendimento superiore al 50%. I laser a semiconduttore vengono comunemente impiegati nei lettori di compact disc (CD) e nelle stampanti laser.

I più recenti sviluppi in questo settore sembrano promettere la realizzazione a breve di laser di dimensioni talmente piccole da poter essere inclusi in un chip di silicio. Costituiti da nanofili di solfuro di cadmio, i nanolaser potrebbero consentire un ulteriore sviluppo della microcomponentistica elettronica.

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Laser a liquido

Nei laser a liquido il materiale attivo è costituito generalmente da un colorante inorganico, chiuso in un recipiente in vetro. Sono pompati con potenti lampade flash per operare nella modalità a impulsi oppure con un laser a gas ausiliario per operare nella modalità a onda continua. La frequenza caratteristica di questi laser può essere regolata utilizzando un prisma posto all'interno della cavità.

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Laser a elettroni liberi

Questi laser producono la luce utilizzando gli elettroni liberi di un plasma, i quali si muovono a spirale (e quindi emettono radiazione perché accelerati) seguendo le linee di un campo magnetico. Furono sviluppati nel 1977 e oggi sono largamente utilizzati nella ricerca. La loro frequenza è regolabile come per i laser a colorante, ma può coprire l'intera porzione dello spettro che va dai raggi infrarossi ai raggi X. Si ritiene che in poco tempo saranno in grado di generare radiazioni ad alta potenza a costi ragionevoli, mentre per ora la loro applicazione resta limitata proprio per motivi economici.

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Applicazioni del laser

I laser trovano impiego in numerosissimi settori. Finora si sono dimostrati strumenti di grande utilità e importanza nell'industria, nella ricerca scientifica e nelle comunicazioni. Trovano inoltre importanti applicazioni in medicina, nella tecnologia militare e anche in campo artistico.

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Industria

Potenti fasci laser possono essere concentrati in zone piccolissime e quindi possono essere usati per riscaldare, fondere o vaporizzare una sostanza con grande precisione. Sono utilizzati, ad esempio, per forare diamanti, rettificare parti di macchine, tagliare componenti elettronici di microcircuiti, trattare con il calore i chip semiconduttori, sintetizzare nuovi materiali e condurre esperimenti sulla fusione nucleare. I potenti e brevissimi impulsi prodotti da un laser rendono anche possibile la fotografia ad alta velocità, con tempi di esposizione dell'ordine del trilionesimo (un millesimo di miliardesimo) di secondo. L'alta direzionalità del raggio laser è sfruttata per controllare la perfetta linearità di una strada o di un edificio.

Si ricorre ai laser anche per il controllo degli spostamenti della crosta terrestre, per i rilevamenti geodetici e nel controllo di alcuni tipi di inquinamento dell'aria. Si sono utilizzati laser anche per misurare con esattezza la distanza della Luna dalla Terra e per eseguire esperimenti sulla relatività. Sono in via di sviluppo commutatori ad alta velocità attivati da laser, per essere utilizzati negli acceleratori di particelle.

2.

Ricerca scientifica

Grazie all'alta direzionalità e monocromaticità della luce laser, oggi si possono facilmente rilevare variazioni di luce o slittamenti di frequenza estremamente piccoli. Ciò ha permesso di studiare con successo le strutture molecolari. Con i laser è stato possibile misurare la velocità della luce con un'accuratezza mai raggiunta in precedenza, attivare reazioni chimiche in modo selettivo e individuare in campioni ridotti la presenza di sostanze in traccia.

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Comunicazioni

La luce laser può percorrere grandi distanze spaziali senza sostanziali perdite di potenza. L'alta frequenza di questa luce permette di supportare un numero di canali televisivi mille volte più grande di quello attualmente permesso dalle microonde, rendendo il laser un mezzo ideale per le comunicazioni nello spazio. Fibre ottiche a bassa perdita di segnale sono state sviluppate per la trasmissione di luce laser nelle comunicazioni telefoniche e tra sistemi di computer. Tecniche particolari permettono inoltre registrazioni ad alta densità di informazione. Ad esempio, la luce laser semplifica la registrazione degli ologrammi, il metodo attraverso il quale è possibile la ricostruzione tridimensionale di un'immagine.

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Medicina

Con sottili raggi laser di alta intensità e precisione direzionale si possono tagliare e cauterizzare, in una frazione di secondo, alcuni tessuti patologici, senza danneggiare quelli sani circostanti. È inoltre possibile “rincollare” al fondo dell'occhio una retina distaccata, forare le ossa, cauterizzare vasi sanguigni. Sono state sviluppate anche tecniche laser per analisi di laboratorio su campioni biologici di piccole dimensioni.

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Tecnologie militari

Sistemi di guida laser per missili, aeromobili e satelliti sono molto diffusi. Nel 1983 fu proposto l'impiego di laser a raggi X come arma di difesa contro missili balistici nemici. La capacità dei laser regolabili di eccitare selettivamente atomi e molecole potrebbe anche essere utilizzata nella costruzione di armi nucleari, per ottenere una separazione più efficiente degli isotopi di elementi radioattivi.

6.

Restauro

Una delle più nuove applicazioni della tecnologia del laser è quella del restauro di opere d’arte e dipinti antichi. Recenti studi sugli effetti chimici a lungo termine della luce ultravioletta su smalti e vernici hanno infatti escluso che questa possa arrecare danni da surriscaldamento ai materiali, autorizzando l’uso del laser su reperti preziosi. La tecnologia potrà essere utilizzata per lavori di estrema delicatezza: un computer potrà indirizzare il fascio laser con una precisione assai maggiore di quella di uno scalpello manuale, sondando la superficie dei dipinti per rimuovere lo sporco e l’eventuale vernice protettiva senza rischio di provocare danni.

5.

Norme di sicurezza

Il pericolo maggiore che può derivare dall'uso del laser è un danno alla vista, perché l'occhio percepisce la luce laser, particolarmente intensa, con lo stesso meccanismo con cui percepisce una qualsiasi altra luce. È quindi necessario non guardare mai un raggio laser, nemmeno se è riflesso, e il personale addetto alla manovra di apparecchi laser deve indossare sempre occhiali protettivi a copertura totale.