Laser

Come fanno i laser a fare luce?

Se questo è tutto il dettaglio che vuoi sapere sui laser, puoi smettere di leggere ora o saltare più in basso nella pagina ai tipi di laser. Questo è un termine complesso e confuso, ma, se lo si smonta lentamente, è in realtà una spiegazione molto chiara di come i laser creano i loro potentissimi fasci di luce.

Emissione spontanea

Iniziamo con la “R” di laser: radiazione.La radiazione che i laser producono non ha nulla a che fare con la pericolosa radioattività, la roba che fa scattare i contatori Geiger, che gli atomi vomitano quando si scontrano o vanno in pezzi. I laser producono radiazioni elettromagnetiche, proprio come la luce ordinaria, le onde radio, i raggi X e gli infrarossi. Sebbene sia ancora prodotta dagli atomi, essi la producono (“emettono”) in un modo totalmente diverso, quando gli elettroni saltano su e giù al loro interno. Possiamo pensare agli elettroni negli atomi seduti su livelli di energia, che sono un po’ come i pioli di una scala. Normalmente, gli elettroni siedono al livello più basso possibile, che è chiamato lo stato di terra dell’atomo. Se si spara la giusta quantità di energia, si può spostare un elettrone su un livello, sul piolo successivo della “scala”. Questo si chiama assorbimento e, nel suo nuovo stato, diciamo che l’atomo è eccitato, ma è anche instabile. Ritornerà molto rapidamente allo stato di terra emettendo l’energia che ha assorbito come un fotone (una particella di luce). Chiamiamo questo processo emissione spontanea di radiazione: l’atomo sta emettendo luce (emettendo radiazione) da solo (spontaneamente).

Foto: Dalle candele alle lampadine, dalle lucciole alle torce, tutte le forme convenzionali di luce funzionano attraverso il processo di emissione spontanea. In una candela, la combustione (la reazione chimica tra ossigeno e combustibile, in questo caso la cera) eccita gli atomi e li rende instabili. Essi emettono luce quando ritornano al loro stato originale (terra). Ogni fotone prodotto dall’emissione spontanea all’interno di questa fiamma di candela è diverso da ogni altro fotone, ed è per questo che c’è una miscela di diverse lunghezze d’onda (e colori), rendendo la luce “bianca”. I fotoni emergono in direzioni casuali, con onde che sono sfasate l’una rispetto all’altra (“fuori fase”), ed è per questo che la luce delle candele è molto più debole della luce laser.

Emissione stimolata

Normalmente, un tipico gruppo di atomi avrebbe più elettroni nei loro stati di terra che nei loro stati eccitati, che è una delle ragioni per cui gli atomi non emettono spontaneamente luce.Ma cosa succede se eccitiamo quegli atomi – li pompiamo pieni di energia – i loro elettroni erano in stati eccitati. In questo caso, la “popolazione” di elettroni eccitati sarebbe più grande della “popolazione” nei loro stati di terra, quindi ci sarebbe un sacco di elettroni pronti e disposti a fare fotoni di luce. Chiamiamo questa situazione un’inversione di popolazione, perché lo stato abituale delle cose negli atomi viene scambiato (invertito). Ora supponiamo anche di poter mantenere i nostri atomi in questo stato per un po’ di tempo in modo che non saltino automaticamente al loro stato fondamentale (una condizione temporaneamente eccitata conosciuta come meta-stato). Allora scopriremmo qualcosa di veramente interessante. Se sparassimo un fotone con la giusta energia attraverso il nostro gruppo di atomi, provocheremmo uno degli elettroni eccitati a saltare indietro al suo stato di terra, emettendo sia il fotone che abbiamo sparato sia il fotone prodotto dal cambiamento di stato dell’elettrone. Poiché stiamo stimolando gli atomi per ottenere radiazioni da loro, questo processo è chiamato emissione stimolata. Otteniamo due fotoni dopo aver messo un fotone dentro, raddoppiando effettivamente la nostra luce e amplificandola (aumentandola). Questi due fotoni possono stimolare altri atomi a emettere altri fotoni, così, molto presto, otteniamo una cascata di fotoni – reazione di cina – gettando fuori un brillante fascio di pura, coerente luce laser. Quello che abbiamo fatto qui è amplificare la luce usando l’emissione stimolata della radiazione ed è così che un laser prende il suo nome.

Artwork: Come funzionano i laser in teoria: A sinistra: assorbimento: Spara energia (verde) in un atomo e puoi spostare un elettrone (blu) dal suo stato fondamentale ad uno stato eccitato, il che di solito significa spingerlo più lontano dal nucleo (grigio). Medio: Emissione spontanea: Un elettrone eccitato salterà naturalmente indietro al suo stato fondamentale, emettendo un quantum (pacchetto di energia) come fotone (ondeggiamento verde). A destra: Emissione stimolata: Spara un fotone vicino a un gruppo di atomi eccitati e puoi innescare una cascata di fotoni identici. Un fotone di luce ne innesca molti, quindi quello che abbiamo qui è l’amplificazione della luce (fare più luce) per emissione stimolata di radiazione (elettromagnetica) – LASER!.

Cosa rende la luce laser così diversa?

Se è così che i laser fanno luce, perché non fanno un solo colore e un raggio coerente? Si riduce all’idea che l’energia può esistere solo in pacchetti fissi, ognuno dei quali è chiamato un quantum. È un po’ come il denaro. Puoi avere denaro solo in multipli dell’unità più elementare della tua valuta, che potrebbe essere un centesimo, un penny, una rupia o altro. Non puoi avere un decimo di centesimo o un ventesimo di rupia, ma puoi avere 10 centesimi o 20 rupie. Lo stesso vale per l’energia, ed è particolarmente evidente negli atomi.

Come i pioli di una scala, i livelli di energia negli atomi sono in posti fissi, con spazi vuoti tra di loro. Non si può mettere il piede da nessuna parte su una scala, solo sui pioli; ed esattamente allo stesso modo, si possono spostare gli elettroni negli atomi solo tra i livelli energetici fissi. Per far saltare un elettrone da un livello più basso a uno più alto, bisogna immettere una quantità precisa (quantum) di energia, pari alla differenza tra i due livelli energetici. Quando gli elettroni scendono di nuovo dal loro stato eccitato a quello di terra, emettono la stessa, precisa quantità di energia, che prende la forma di un fotone di luce di un colore particolare. L’emissione stimolata nei laser fa sì che gli elettroni producano una cascata di fotoni identici – identici in energia, frequenza, lunghezza d’onda – ed è per questo che la luce laser è monocromatica. I fotoni prodotti sono equivalenti a onde di luce le cui creste e depressioni si allineano (in altre parole, sono “in fase”) – ed è questo che rende la luce laser coerente.

Tipi di laser

Foto: Laser – come molti di noi li conoscono: Questo è il laser e la lente che scansiona i dischi all’interno di un lettore CD o DVD. Il piccolo cerchio in basso a destra è un diodo laser semiconduttore, mentre il cerchio blu più grande è la lente che legge la luce del laser dopo che è rimbalzata sulla superficie lucida del disco.

Siccome possiamo eccitare molti tipi diversi di atomi in molti modi diversi, possiamo (teoricamente) fare molti tipi diversi di laser.In pratica, ci sono solo una manciata di tipi comuni, di cui i cinque più noti sono a stato solido, a gas, a colorante liquido, a semiconduttore e a fibra.

Solidi, liquidi e gas sono i tre stati principali della materia e ci danno tre diversi tipi di laser. I laser a stato solido sono come quelli che ho illustrato sopra. Il mezzo è qualcosa come un’asta di rubino o un altro materiale cristallino solido, e un tubo flash avvolto intorno ad esso pompa i suoi atomi pieni di energia. Per funzionare efficacemente, il solido deve essere drogato, un processo che sostituisce alcuni degli atomi del solido con ioni di impurità, dandogli solo i giusti livelli di energia per produrre luce laser di una certa, precisa frequenza. I laser a stato solido producono fasci ad alta potenza, tipicamente in impulsi molto brevi. I laser a gas, al contrario, producono fasci luminosi continui usando composti di gas nobili (in quelli che sono chiamati laser a eccimeri) o anidride carbonica (CO2) come loro mezzo, pompati dall’elettricità. I laser a CO2 sono potenti, efficienti e tipicamente usati nel taglio e nella saldatura industriale. I laser a colorante liquido usano una soluzione di molecole di colorante organico come mezzo, pompato da una lampada ad arco, una lampada flash o un altro laser. Il loro grande vantaggio è che possono essere utilizzati per produrre una banda più ampia di frequenze di volo di laser a stato solido e gas, e possono anche essere “sintonizzati” per produrre frequenze diverse.

Mentre i laser a stato solido, liquido e gas tendono a belarge, potente e costoso, laser a semiconduttore arecheap, piccolo, chip-like dispositivi utilizzati in cose come lettori CD, stampanti laser e scanner di codici a barre. Funzionano come un incrocio tra un diodo ad emissione luminosa convenzionale (LED) e un laser tradizionale. Come un LED, fanno luce quando gli elettroni e i “buchi” (effettivamente, “elettroni mancanti”) saltano e si uniscono; come un laser, generano una luce coerente e monocromatica. Ecco perché a volte sono chiamati diodi laser (o laser a diodi). Puoi leggere di più su di loro nel nostro articolo separato sui diodi laser a semiconduttore.

Infine, i laser a fibra lavorano la loro magia all’interno delle fibre ottiche; in effetti, un cavo in fibra ottica drogato diventa il mezzo amplificante. Sono potenti, efficienti, affidabili, e rendono facile convogliare la luce laser ovunque sia necessario.

A cosa servono i laser?

Quando Theodore Maiman sviluppò il primo laser pratico, pochi si resero conto di quanto importanti sarebbero diventate queste macchine. Goldfinger, il film di James Bond del 1964, offriva un allettante scorcio di un futuro in cui i laser industriali potevano affettare come per magia qualsiasi cosa sul loro cammino, persino gli agenti segreti! Più tardi lo stesso anno, riferendo del conferimento del Premio Nobel per la Fisica al pioniere del laser Charles Townes, il New York Times suggerì che “un raggio laser potrebbe, per esempio, trasportare tutti i programmi radio e televisivi del mondo più diverse centinaia di migliaia di chiamate telefoniche simultaneamente. È usato estesamente per la ricerca della distanza e il tracciamento dei missili”. Più di mezzo secolo dopo, applicazioni come questa – strumenti di precisione, comunicazione digitale e difesa – rimangono tra gli usi più importanti dei laser.

Foto: Ogni volta che stampa un documento, la stampante laser sulla tua scrivania sta stimolando zilioni di atomi! Il laser al suo interno è usato per disegnare un’immagine molto precisa della pagina che si vuole stampare su un grande tamburo, che raccoglie l’inchiostro (toner) alimentato e lo trasferisce sulla carta.

Strumenti

Gli strumenti da taglio basati sul laser CO2 sono molto usati nell’industria: sono precisi, facili da automatizzare e, a differenza dei coltelli, non hanno mai bisogno di essere affilati. Dove una volta i pezzi di tessuto venivano tagliati a mano per fare cose come i jeans, ora i tessuti vengono tagliati da laser guidati da robot. Sono più veloci e più precisi degli esseri umani e possono tagliare più spessori di tessuto in una volta, il che migliora l’efficienza e la produttività. La stessa precisione è ugualmente importante in medicina: i medici usano abitualmente i laser sul corpo dei loro pazienti per tutto, dal far saltare i tumori del cancro e cauterizzare i vasi sanguigni alla correzione dei problemi alla vista delle persone (la chirurgia laser agli occhi, il fissaggio di retine staccate e i trattamenti della cataratta coinvolgono tutti i laser).

Comunicazioni

I laser formano la base di tutti i tipi di tecnologia digitale del XXI secolo. Ogni volta che fai scorrere la tua spesa attraverso uno scanner di codici a barre di un negozio di alimentari, stai usando un laser per convertire un codice a barre stampato in un numero che il computer della cassa può capire. Quando guardi un DVD o ascolti un CD, un raggio laser a semiconduttore rimbalza sul disco che gira per convertire il suo schema stampato di dati in numeri; un chip di computer converte questi numeri in film, musica e suono. Insieme ai cavi in fibra ottica, i laser sono ampiamente utilizzati in una tecnologia chiamata fotonica, che utilizza fotoni di luce per comunicare, ad esempio, per inviare vasti flussi di dati avanti e indietro su Internet. Facebook sta attualmente sperimentando l’utilizzo di laser (invece di onde radio) per migliorare le connessioni ai satelliti spaziali, che potrebbero portare a una maggiore velocità di trasmissione dati e a un accesso a Internet molto migliorato nei paesi in via di sviluppo: Le armi laser sono il futuro? Questo è il Laser Weapon System (LaWS) della US Navy, che è stato testato a bordo della USS Ponce nel 2014. Non ci sono proiettili o missili costosi con un’arma laser come questa, solo una fornitura infinita di energia ferocemente diretta. Foto di John F. Williams per gentile concessione della US Navy.

Difesa

L’esercito è stato a lungo uno dei maggiori utilizzatori di questa tecnologia, principalmente nelle armi e nei missili a guida laser.Nonostante la sua divulgazione nei film e in TV, l’idea fantascientifica delle armi laser che possono tagliare, uccidere o accecare un nemico è rimasta fantasiosa fino alla metà degli anni ’80. Nel 1981, il New York Times arrivò a citare un “esperto militare di laser” che diceva: “È semplicemente stupido. Ci vuole più energia per uccidere un singolo uomo con un laser che per distruggere un missile”. Due anni dopo, le armi laser a lungo raggio divennero ufficialmente il fondamento della controversa Iniziativa di Difesa Strategica (SDI) del presidente americano Ronald Reagan, meglio conosciuta come il “programma Star Wars”. L’idea originale era quella di usare laser a raggi X basati nello spazio (tra le altre tecnologie) per distruggere i missili nemici in arrivo prima che avessero il tempo di fare danni, anche se il piano è gradualmente sfumato dopo il crollo dell’Unione Sovietica e la fine della Guerra Fredda.

Anche così, gli scienziati della difesa hanno continuato a trasformare i missili laser dalla fantascienza alla realtà. La marina statunitense ha iniziato a testare il LaWS (Laser Weapon System) a bordo della nave USS Ponce nel Golfo Persico nel 2014. Utilizzando laser a stato solido pompati da LED, è stato progettato per danneggiare o distruggere attrezzature nemiche in modo più economico e preciso dei missili convenzionali. I test hanno avuto successo, e la Marina ha annunciato contratti per costruire altri sistemi LaWS nel 2018.Nel frattempo, lo sviluppo di laser spaziali continua, anche se nessuno è stato finora distribuito.

Foto: Gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory in California hanno sviluppato il laser più potente del mondo, il National Ignition Facility (NIF), per la ricerca nucleare. Ospitato in un edificio di 10 piani che occupa un’area grande come tre campi da calcio, utilizza 192 raggi laser separati per fornire fino a 500 trilioni di watt di potenza (100 volte più energia di qualsiasi altro laser), generando temperature fino a 100 milioni di gradi. Il NIF è costato un totale di 3,5 miliardi di dollari e dovrebbe alimentare la ricerca nucleare d’avanguardia per i prossimi 30 anni. A sinistra: uno degli alloggiamenti gemelli del laser al National Ignition Facility. A destra: come funziona: I fasci del laser sono concentrati su una piccola pallina di combustibile in una camera per produrre temperature intense (come quelle nelle profondità delle stelle). L’idea è quella di produrre la fusione nucleare (far unire gli atomi) e rilasciare una massiccia quantità di energia. Credito fotografico: Lawrence Livermore National Laboratory.