Un argomento che è stato affrontato in passato in diversi articoli di ELETTRONICA OPEN SOURCE e che io reputo estremamente affascinante è il laser. Questo acronimo è presente da decenni nell'immaginario collettivo, soprattutto in quello di coloro che, come me, sono appassionati sia di scienza che di fantascienza, e tutti sappiamo più o meno quali siano i principali impieghi di tale dispositivo; tuttavia, ben pochi sanno darne una definizione esatta e ne conoscono il funzionamento. Questo è il primo di due articoli con i quali vorrei provare a trattare tale interessante argomento in maniera più esaustiva di quanto non sia già stato fatto qui su EOS. Parleremo anche dei laser della fantascienza sottoponendoli al vaglio della scienza.
1 Definizione
Con l'acronimo laser (light amplification by stimulated emission of radiation, ovvero: amplificazione della luce per mezzo di emissione stimolata di radiazioni) si indica un dispositivo in grado di emettere fasci estremamente concentrati (al punto da potersi considerare, il più delle volte, perfettamente rettilinei) di radiazioni elettromagnetiche, coerenti, collimate e monocromatiche, appartenenti in genere alla banda che va dall'infrarosso all'ultravioletto. Il suo funzionamento, proprio come quello del maser (che invece opera nella banda delle microonde), è basato sul fenomeno dell'emissione stimolata.
2 Cenni storici
Nel 1917, Albert Einstein pose le basi teoriche del laser e del maser e le illustrò nell'articolo Zur Quantentheorie der Strahlung (la teoria quantistica delle radiazioni). Nel 1928, Rudolf W. Ladenburg dimostrò l'esistenza dell'emissione stimolata e, nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse il suo uso per amplificare le onde corte.
Nel 1953, presso la Columbia University, Charles Hard Townes, J. P. Gordon e H. J. Zeiger costruirono il primo maser, un dispositivo che utilizzava l'emissione stimolata per amplificare le microonde. La seguente foto lo ritrae insieme a Townes (a sinistra) e Gordon:
Nel 1960, presso i laboratori della Hughes Research a Malibù in California, Theodore H. Maiman realizzò il primo laser (illustrato nelle due immagini sottostanti). Era un laser a stato solido che, grazie ad un cristallo di rubino, era in grado di produrre un raggio di luce rossa con una lunghezza d'onda di 694 nm.
Sempre nel 1960, Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriott costruirono il primo laser a gas utilizzando l'elio ed il neon; emetteva un raggio infrarosso. Nel 1963, C. Patel mise a punto un laser ad anidride carbonica. Nel 1962, nacquero i primi laser a semiconduttore, detti anche diodi laser. Successivamente vennero concepiti e realizzati laser di varia natura, come ad esempio: quelli chimici, a coloranti, a vapori metallici e a elettroni liberi.
3 Funzionamento del laser
L'interazione tra la luce (o, più in generale, la radiazione elettromagnetica) e la materia consiste essenzialmente nello scambio energetico tra i fotoni che costituiscono la prima e gli elettroni degli atomi che compongono la seconda, e può essere di tre tipi:
- assorbimento,
- emissione spontanea,
- emissione stimolata.
Sia E1 l'energia di un elettrone nel suo stato fondamentale, ossia lo stato di minima energia, ed E2 > E1 l'energia che caratterizza uno dei suoi stati eccitati. Se l'elettrone viene colpito da un fotone la cui energia E = hν (dove h è la costante di Planck e ν è la frequenza del fotone) è all'incirca pari alla differenza energetica tra i due stati E2 - E1, il fotone può essere assorbito dall'elettrone con conseguente transizione di quest'ultimo al livello energetico E2. Questo processo è detto assorbimento stimolato di radiazione. Gli stati eccitati hanno generalmente vita limitata (che varia dall'ordine dei nanosecondi a quello dei millisecondi), ossia l'elettrone tende a ritornare nel suo stato fondamentale rilasciando l'energia assorbita. Tale rilascio di energia può avvenire emettendo un fotone [...]
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Una interessante panoramica sui laser! Personalmente ho usato dai laser HeNe a quelli CO2, passando per NdYAG. Come tecnologia, questi ultimi due sono molto sofisticati. Il CO2 usato per “riscaldare” specchi interferometrici, NdYAG per la generazione di raggi x da plasma.