Nel precedente articolo, I laser tra scienza e fantascienza: introduzione, si è cercato di spiegare nella maniera più chiara ed esaustiva possibile cos'è un laser e come funziona, illustrandone anche le principali tipologie. Elencheremo ora alcune delle innumerevoli applicazioni di questo dispositivo: scientifiche, tecnologiche, mediche e militari. Infine, esamineremo i finti laser, frutto di effetti speciali, che tutti noi abbiamo ammirato in numerosi film e telefilm di fantascienza, cercando di capire quanto essi siano verosimili. Dulcis in fundo, calcoleremo quanta energia dovrebbe avere il super laser della Morte Nera di Guerre Stellari per disintegrare il nostro pianeta, e anche la quantità di antimateria necessaria a generare tale energia.
Applicazioni dei laser
Le proprietà dei fasci di radiazioni elettromagnetiche emessi dai laser, illustrate nel precedente articolo, sono alla base delle innumerevoli applicazioni che tali dispositivi hanno in molteplici campi. Solo per fare qualche esempio, l'elevatissima irradianza (dovuta al fatto che, essendo il fascio di onde elettromagnetiche praticamente rettilineo, tutta la sua potenza viene concentrata in un'area pressoché puntiforme) consente ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli; la monocromaticità e la coerenza li rendono in grado di misurare con notevole precisione distanze, spostamenti e velocità anche infinitesimali; la monocromaticità li rende altresì idonei a trasportare informazioni nelle fibre ottiche o nello spazio libero anche per grandi distanze. Esaminiamo ora in maniera più dettagliata alcune delle principali applicazioni dei laser.
Applicazioni scientifiche
Fisica
In fisica, i laser sono utilizzati per lo studio delle interazioni fra radiazione e materia; in particolare, grazie ad essi, è possibile mettere in evidenza quei particolari fenomeni della interazione radiazione–materia chiamati effetti ottici non lineari. Tali fenomeni sono così denominati in quanto dipendono in maniera non lineare dall'intensità della radiazione elettromagnetica che investe il materiale, e pertanto diventano tanto più evidenti quanto più è elevata tale intensità.
La spettroscopia atomica laser è l'insieme di quelle tecniche spettroscopiche che sfruttano le proprietà del laser per studiare le transizioni atomiche e molecolari. La luce laser viene utilizzata per eccitare il materiale in esame, facendolo transitare dallo stato fondamentale ad uno dei suoi stati eccitati. Dallo studio della risposta del materiale, ovvero del modo in cui si diseccita, è possibile ottenere delle informazioni sulla sua struttura a livello atomico e molecolare.
Con i laser si può anche generare plasma. Si è visto che, irraggiando materiale, sia solido che gassoso, con impulsi laser aventi lunghezza d'onda di circa 1 μm e intensità superiori a 1018 W/cm2, si generano plasmi i cui elettroni raggiungono velocità prossime a quella della luce (plasmi relativistici). Questi elettroni possono poi, a loro volta, generare raggi X e gamma, i quali possono dar luogo a reazioni nucleari.
Chimica
In chimica, i laser vengono utilizzati, ad esempio, per produrre reazioni fotochimiche, le quali, in virtù della elevata monocromaticità del fascio laser, sono tali da consentire uno studio più accurato di un composto chimico; per esempio, esaminando le reazioni fotochimiche prodotte da un laser, è possibile distinguere i vari isotopi di un dato composto. Un altro impiego del laser in chimica consiste nell'eccitare gli elettroni di alcuni atomi per poterne studiare le conseguenti reazioni chimiche.
Biologia
Un raggio laser può essere talmente sottile da poter essere utilizzato anche per ricerche in campo biologico. Infatti, ad esempio, con un fascio laser opportunamente focalizzato è possibile eccitare un determinato punto di una cellula in modo da poterne studiare il conseguente comportamento. Tramite un laser ad impulsi è possibile anche provocare la morte di una cellula per esaminare il comportamento di quelle circostanti.
Applicazioni tecnico-pratiche
Telecomunicazioni
Utilizzando il fascio laser come portante di segnali modulanti, è possibile realizzare sistemi di comunicazione ottica con una capacità d’informazione ben maggiore di quella degli ordinari sistemi di telecomunicazione. La monocromaticità e la coerenza spaziale (che assicura la concentrazione dell’energia irraggiata in un fascio molto stretto) fanno sì che con il laser si possano trasportare informazioni, nelle fibre ottiche o nello spazio libero, anche per lunghe distanze e con velocità di trasmissione superiore al Gbit/s.
Un dispositivo estremamente importante nelle comunicazioni ottiche è l'amplificatore ottico, un congegno che amplifica direttamente un segnale ottico senza doverlo dapprima convertire in un segnale elettrico, come invece accade in un normale rigeneratore o ripetitore. Praticamente si tratta di un laser privo di cavità ottica: l'emissione stimolata nel mezzo attivo dell'amplificatore, generata da un segnale di pompa, produce l'amplificazione della luce che lo attraversa. La figura 1 mostra lo schema concettuale di un amplificatore in fibra ottica:
Figura 1: schema concettuale di un amplificatore in fibra ottica
Misura di distanze
Grazie ai laser si possono effettuare misure di estrema precisione di distanze che vanno dai micron alle decine di metri. Innumerevoli sono le discipline [...]
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Teoria e applicazioni dei sensori magnetici digitali
Molto importante è anche l’utilizzo del laser in applicazioni spaziali per comunicazioni dati tra satelliti, nei cosiddetti Satellite Laser Ranging sfruttando dei riflettori MRR.
Alle numerose applicazioni del laser in campo medico (descritte in modo preciso e dettagliato nell’articolo) si può aggiungere la più recente applicazione in campo odontoiatrico. In questo contesto il laser può sostituirsi al comune bisturi con considerevoli vantaggi: consente di ottenere un minor sanguinamento, una cicatrizzazione più efficace e rapida e il trattamento di batteri o infezioni particolarmente aggressivi.
Fra le altre applicazioni, prese dal settore in cui lavoro, posso annoverare il cosiddetto “taglio laser”, ovvero il taglio di lamiere o di pezzi mediante un raggio laser di opportuna potenza.
Le macchine a taglio laser sono solitamente macchine “a 5 assi”, ovvero dove i gradi di liberta’ della testa su cui e’ montato il laser ha 5 gradi di liberta’. Ad esempio, una macchina a taglio laser puo’ avere 3 gradi di liberta’ per il posizionamento della testa da cui parte il raggio, e gli altri 2 costituiti dai 2 angoli di rotazione della tavola su cui e’ montato il pezzo.
Il tool path a 5 assi e’ un particolare, poiche’ al posto di contenere solo punti 3D come nei tool path normali a 3 assi, contiene anche un versore per ogni punto, chiamato solitamente “vettore normale”, poiche’ e’ appunto “normale” (perpendicolare) solitamente alla superficie a cui l’utensile o il raggio laser punta su quel dato punto.