Il laser (acronimo dell'inglese Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ) è un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio di luce coerente. Il termine si riferisce oltre che al dispositivo anche al fenomeno fisico dell'amplificazione per emissione stimolata di un'onda elettromagnetica.
Storia Le prime teorie Nel 1917 Albert Einstein formulò le basi teoriche del laser e del maser nell'articolo Zur Quantentheorie der Strahlung ("Sulla teoria quantistica delle radiazioni") attraverso una riderivazione delle leggi sulla radiazione di Max Planck. Nel 1928 Rudolf W. Ladenburg dimostrò l'esistenza dell'emissione stimolata e dell'assorbimento negativo.Steen, W. M. Laser Materials Processing, 2nd Ed. 1998. Nel 1939, Valentin A. Fabrikant predisse l'uso dell'emissione stimolata per amplificare onde corte. Nel 1947, Willis E. Lamb e R. C. Retherford effettuarono la prima dimostrazione dell'emissione stimolata. Nel 1950 Alfred Kastler (vincitore del Nobel per la fisica nel 1966) propose il metodo per il pompaggio ottico confermato sperimentalmente due anni dopo da Brossel, Kastler e Winter.
Maser
Il primo maser venne costruito da Charles Hard Townes, J. P. Gordon, e H. J. Zeiger alla Columbia University nel 1953. L'apparecchio era simile a un laser, ma concentrava energia elettromagnetica in un campo di frequenza notevolmente inferiore: utilizzava infatti l'emissione stimolata per produrre l'amplificazione delle microonde invece che di onde infrarosse o visibili. Il maser di Townes poteva erogare solo una minima potenza, circa 10 nW, ma Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov risolsero il problema teorizzando e sviluppando un "metodo di pompaggio" con più di due livelli di energia. Charles H. Townes, Nikolay Basov e Aleksandr Prokhorov ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 1964, "per il lavoro fondamentale nel campo dell'elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio maser-laser."
L'invenzione e la brevettazione La paternità dell'invenzione del laser non è stata attribuita con certezza e il laser è stato oggetto di un trentennale contenzioso brevettuale. Il 16 maggio 1960, Theodore H. Maiman azionò il primo laser funzionante a Malibù in California presso i laboratori della Hughes Research. Era un laser a stato solido che sfruttava il cristallo di rubino in grado di produrre un raggio laser rosso con una lunghezza d'onda di 694 nm. Sempre nel 1960, Ali Javan, William R. Bennett e Donald Herriott costruirono il primo laser utilizzando l'elio e il neon, definito maser ottico a gas, in grado di produrre un raggio infrarosso. Nel 1963 K. Patel dei Bell Laboratories mette a punto il laser ad anidride carbonica. Tre anni prima Gordon Gould, che aveva incontrato e discusso con Townes, si era annotato vari appunti sull'utilizzo ottico dei maser e sull'utilizzo di un risonatore aperto, dettaglio poi successivamente comune in molti laser. Ritenendosi inventore del laser, Gordon Gould aveva depositato presso un notaio i suoi appunti, ma nel contenzioso legale che ne nacque, non gli venne riconosciuta dall'ufficio brevetti la paternità dall'invenzione. Nel 1971 Izuo Hayashi e Morton B. Panish dei Bell Laboratories disegnano il primo laser a semiconduttori (diodo laser) in grado di operare in continuo a temperatura ambiente. Nel 1977 viene attribuito un brevetto per il "pompaggio ottico" a Gordon Gould e nel 1979 un brevetto descrive una grande varietà di applicazioni del laser, incluso riscaldamento e vaporizzazione dei materiali, saldatura, foratura, taglio, misurazione delle distanze, sistemi di comunicazione, sistemi di fotocopiatura oltre a varie applicazioni fotochimiche. Anche se non è mai stata attribuita a Gordon Gould l'invenzione del laser, per i suoi brevetti successivi ha incassato royalties milionarie da chi ha sviluppato sistemi laser utilizzando soluzioni e/o applicazioni da lui inventate.
Descrizione La coerenza spaziale e temporale del raggio laser è correlata alle sue principali proprietà: alla coerenza temporale, cioè al fatto che le onde conservano la stessa fase nel tempo, è correlata la proprietà dei laser di emettere fasci di radiazione in un intervallo spettrale molto stretto. È considerata un'onda monocromatica anche se particolari dispositivi laser possono emettere contemporaneamente un numero discreto di fasci a diverse lunghezze d'onda; alla coerenza spaziale, cioè al fatto che la differenza di fase è costante fra punti distinti in una sezione trasversa del fascio, è correlata la possibilità di avere fasci unidirezionali e collimati, cioè paralleli anche su lunghi percorsi. I fasci laser sono focalizzabili su aree molto piccole, anche con dimensioni dell'ordine del micrometro (la dimensione dello spot focale dipende però sia dalla lunghezza d'onda che dall'angolo di focalizzazione), impossibili con radiazioni non coerenti.
L'emissione unidirezionale e coerente comporta la possibilità di raggiungere una irradianza o densità di potenza elevatissima a paragone di quella delle sorgenti luminose tradizionali.
Queste proprietà sono alla base del vasto ventaglio di applicazioni che i dispositivi laser hanno avuto e continuano ad avere nei campi più disparati: l'elevatissima irradianza, data dal concentrare una grande potenza in un'area molto piccola, permette ai laser il taglio, l'incisione e la saldatura di metalli, ed un possibile utilizzo anche come arma; la monocromaticità e coerenza li rende ottimi strumenti di misura di distanze, spostamenti e velocità anche piccolissimi, dell'ordine del micrometro (10−6 m); sempre la monocromaticità li rende adatti a trasportare informazioni nelle fibre ottiche o nello spazio libero anche per lunghe distanze come avviene nelle comunicazioni ottiche; Inoltre impulsi laser ultrabrevi, dell'ordine dei femtosecondi, o con intensità elevatissima, dell'ordine dei 1018 W/cm2 sono impiegati nelle più avanzate ricerche scientifiche.
Schema di funzionamento
Il laser è essenzialmente composto da 3 parti: un mezzo attivo, cioè un materiale (gas, cristallo, liquido) che emette la luce; un sistema di pompaggio, che fornisce energia al mezzo attivo; una cavità ottica, o risonatore ottico, ossia una trappola per la luce.
Nel laser si sfrutta il mezzo attivo, il quale possiede la capacità di emettere radiazioni elettromagnetiche (fotoni) quando attivato. Dal mezzo attivo dipende la lunghezza d'onda dell'emissione. Il mezzo attivo può essere gassoso (ad esempio anidride carbonica, miscela di elio e neon, ecc.), liquido (solventi, come metanolo, etanolo o glicole etilenico, a cui sono aggiunti coloranti chimici come cumarina, rodamina e fluoresceina) o solido (rubino, neodimio, semiconduttori, ecc.). Il sistema di pompaggio fornisce energia al mezzo attivo portandolo all'eccitazione con emissione di fotoni.
L'eccitazione può avvenire tramite: Pompaggio ottico (lampade stroboscopiche, diodi laser, ecc.); Urti elettronici (scarica elettrica in gas con sorgente di corrente continua, impulsata, di radio frequenza o una loro combinazione); Effetto Penning; Trasferimento risonante di energie.
Le radiazioni emesse vengono normalmente concentrate attraverso una cavità ottica con pareti interne riflettenti, e una zona di uscita semiriflettente. Questa ultima superficie è l'unica che permette la fuoriuscita del raggio, il quale viene successivamente lavorato e riposizionato attraverso una serie di lenti e specchi per far sì che il raggio risultante abbia la posizione, concentrazione nonché ampiezza desiderate.
Principio di funzionamento
Come dice la stessa sigla (LASER → Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), la radiazione laser proviene dal processo di emissione stimolata:
M* + hν → M + 2hν
Normalmente la luce che attraversa un materiale viene assorbita dal materiale stesso man mano che avanza, cioè cede energia agli atomi che incontra, eccitandoli, perché li trova in uno stato energetico "basso". Se però interveniamo eccitando gli atomi del materiale con una fonte di energia esterna, allora secondo l'analisi di Einstein le probabilità che avvengano l'emissione stimolata e l'assorbimento sono date dalla percentuale di atomi eccitati a fronte di quella di atomi nello stato energetico base:
Pesp = BN2ρ(ν12)
Pass = BN1ρ(ν12)
dove B è il coefficiente di Einstein, N1 è la popolazione dello stato a energia E1 e N2 è la popolazione dello stato a energia E2; (E2 > E1); ρ(ν12) è la densità del campo di radiazione alla frequenza ν12 = (E2 - E1)/h; Da questo si vede che se riusciamo a ottenere una inversione di popolazione, cioè se ci sono più atomi eccitati che atomi normali, la luce che attraversa il materiale guadagnerà potenza invece di perderla: cioè verrà amplificata dall'emissione stimolata degli atomi.
In condizioni di equilibrio N1 è sempre maggiore di N2 (perché le popolazioni dei due livelli sono descritte dalla distribuzione di Boltzmann , da notare l'esponente negativo) e quindi per ottenere prevalenza dell'emissione stimolata è necessario mantenere il sistema lontano dall'equilibrio, attuando linversione di popolazione.
La stimolazione o pompaggio di un laser può avvenire otticamente o elettricamente. La stimolazione ottica può essere effettuata da una lampada che avvolge il materiale attivo il tutto all'interno di uno specchio. In alternativa si può utilizzare una lampada lineare, ma il materiale attivo e la lampada devono essere posti nei fuochi di uno specchio ellittico in modo da far convergere tutti i raggi luminosi sul materiale attivo. La stimolazione elettrica invece avviene mediante l'applicazione di una differenza di potenziale ed è applicabile solo a materiali conduttori come, ad esempio, vapori di metalli.
Caratteristiche della radiazione laser Unidirezionalità: al contrario delle sorgenti elettromagnetiche tradizionali, il laser emette la radiazione in un'unica direzione. Più precisamente l'angolo solido sotteso da un fascio laser è estremamente piccolo; una buona descrizione della propagazione e collimazione di un fascio laser è data dall'ottica dei fasci gaussiani. Questa caratteristica viene sfruttata in diversi ambiti, per esempio permette di trattare le superfici in maniera estremamente accurata (litografia, dischi ottici, ecc.). In spettroscopia si ha la possibilità di aumentare notevolmente il cammino ottico e quindi la sensibilità usando una sorgente laser che attraversa il campione con una traiettoria a zig-zag grazie a un sistema di specchi. Monocromaticità: l'allargamento della banda di emissione è dato dalla larghezza naturale e dall'effetto Doppler (che può essere eliminato o comunque contenuto parecchio). In spettroscopia si sfrutta questa caratteristica per ottenere spettri ad alta risoluzione. Sarebbe molto difficoltoso ottenere gli spettri Raman senza questa caratteristica dei laser. Radianza: nei laser la quantità di energia emessa per unità di angolo solido è incomparabilmente più elevata rispetto alle sorgenti tradizionali. In particolare è elevato il numero di fotoni per unità di frequenza. Questa caratteristica è diretta conseguenza delle due precedentemente citate. Grazie a questa caratteristica si ha la possibilità di osservare fenomeni particolari, come per esempio l'assorbimento a molti fotoni. L'elevata intensità ha trovato anche diverse applicazioni tecnologiche, per esempio nel taglio dei metalli. Coerenza: mentre nell'emissione spontanea ogni fotone viene emesso in maniera casuale rispetto agli altri, nell'emissione stimolata ogni fotone ha la stessa fase del fotone che ha indotto l'emissione. La fase viene quindi mantenuta nel tempo e nello spazio. Questa caratteristica ha permesso lo sviluppo della tecnica CARS.