Laser

Che cosa il laser?

Il termine "laser" è un acronimo che sta per "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" (Amplificazione della Luce attraverso l'Emissione Stimolata di Radiazione).

Dal punto di vista fisico, un laser è un dispositivo ottico che sfrutta i principi della fisica quantistica per generare un raggio coerente di luce monocromatica.
Fondamentalmente, un laser è composto da tre elementi principali: un materiale attivo, uno schema di pompaggio e un risonatore.

Il materiale attivo è spesso un solido, liquido o gas che ha la capacità di emettere fotoni quando viene eccitato. Gli atomi o le molecole in questo materiale attivo sono portati a uno stato energetico superiore attraverso il processo di pompaggio.

Lo schema di pompaggio fornisce l'energia necessaria per eccitare il materiale attivo e può coinvolgere varie tecniche, come l'utilizzo di lampade flash o di altre sorgenti di energia.

Il risonatore è un elemento fondamentale per mantenere la coerenza del raggio di luce. Esso è costituito da specchi posti agli estremi del materiale attivo, creando una cavità ottica che favorisce l'amplificazione della luce attraverso riflessioni multiple. Questo processo di amplificazione stimolata consente al laser di generare un raggio di luce coerente e altamente focalizzato, caratteristiche che lo rendono prezioso in una vasta gamma di applicazioni, dalla chirurgia oftalmica alla comunicazione ottica e alla ricerca scientifica.

Proprietà distintive di un raggio laser

Un fascio laser presenta diverse proprietà distintive che lo differenziano da altre sorgenti di luce. Queste proprietà includono la monocromaticità, la coerenza, la direzionalità, la luminosità e la breve durata degli impulsi.

Monocromaticità: un fascio laser emette luce con una singola lunghezza d'onda, il che significa che tutte le onde luminose nel fascio sono di colore uniforme. Questa caratteristica rende il laser estremamente adatto per applicazioni che richiedono una luce di colore specifico e ben definito.

Monocromaticità laser

Coerenza: la coerenza si riferisce alla capacità del fascio laser di mantenere una fase costante tra le sue onde luminose. Ciò significa che le onde di luce nel fascio sono in fase tra di loro, permettendo al laser di mantenere una forma d'onda ben definita e di concentrare l'energia in modo altamente efficiente.

Coerenza laser

Direzionalità: i fasci laser sono altamente direzionali, il che significa che la luce si propaga in modo concentrato e focalizzato in una direzione specifica. Questa caratteristica è essenziale in molte applicazioni, come il taglio laser e la comunicazione ottica, dove è importante concentrare la luce su un punto specifico o inviare segnali con precisione.

Luminosità (Brightness): la luminosità di un fascio laser si riferisce alla sua intensità luminosa per unità di superficie. I fasci laser sono caratterizzati da una luminosità elevata, il che li rende ideali per applicazioni che richiedono una forte intensità luminosa, come la proiezione di immagini o l'uso in apparecchiature mediche.

Breve durata degli impulsi (Short Pulse Duration): questa proprietà si riferisce al periodo di tempo estremamente breve in cui un laser può emettere luce. La capacità di generare impulsi luminosi molto brevi è cruciale in molte applicazioni scientifiche e mediche, come la fototerapia o la chirurgia laser, dove è necessario un controllo preciso e rapido dell'energia luminosa.

Coerenza direzionalità luminosità laser

Classificazione dei laser

I laser possono essere classificati in diversi tipi in base al materiale attivo utilizzato. I tre principali tipi di laser sono quelli a stato solido, liquido e gas.

I laser a stato solido impiegano cristalli o vetri come materiale attivo, mentre i laser a liquido utilizzano solventi contenenti coloranti o altre sostanze. I laser a gas, d'altra parte, sfruttano molecole gassose come materiale attivo.

Un'altra categoria interessante è rappresentata dai laser a elettroni liberi, che sfruttano elettroni ad altissima energia accelerati in un campo magnetico per generare radiazioni coerenti. Questi laser trovano applicazioni nella ricerca scientifica e nell'analisi di materiali.

Oltre alla classificazione basata sul materiale attivo, i laser possono essere distinti in base alla lunghezza d'onda della luce emessa. I laser infrarossi (IR), visibili (VIS), ultravioletti (UV) e raggi X rappresentano diverse regioni dello spettro elettromagnetico, ciascuna con caratteristiche e applicazioni specifiche.

Assolutamente, è di vitale importanza prestare attenzione particolare ai laser non visibili, in quanto possono presentare rischi significativi per la salute degli occhi. I laser emettono radiazioni luminose altamente concentrate, e anche se la luce non è visibile, può comunque causare danni irreversibili agli occhi se non maneggiata correttamente.

I laser infrarossi (IR), ultravioletti (UV) e raggi X sono esempi di laser non visibili. Le lunghezze d'onda di queste radiazioni possono penetrare facilmente nei tessuti oculari e danneggiare la retina. È fondamentale utilizzare dispositivi di protezione oculare adeguati quando si lavora con laser non visibili, specialmente in contesti come la ricerca scientifica, l'industria o la medicina. I laser pulsati, che emettono impulsi di luce invece di un fascio continuo, sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni, come la medicina e la comunicazione ottica ad alta velocità.

Il controllo della modalità di emissione di un laser può essere ottenuto attraverso tecniche come il Q-switching e il mode-locking nella cavità. Il Q-switching permette di generare impulsi luminosi brevi e ad alta energia, mentre il mode-locking consente di ottenere impulsi ultracorti e ripetitivi. Queste tecniche sono fondamentali per molte applicazioni avanzate, tra cui la microfabbricazione e la ricerca laser ad alta precisione.

I più importanti esempi di laser sono:

Laser a rubino

Lunghezza d'onda: 694.3 nanometri (nm)
Potenze raggiunte: da milliwatt a kilowatt
Materiale attivo: rubino (cristallo di allumina con impurità di cromo)
Usi: chirurgia oftalmica, marcatura laser, ricerca scientifica

Laser a elio-neon

Lunghezza d'onda: 632.8 nm
Potenze raggiunte: da milliwatt a poche decine di watt
Materiale attivo: miscela di elio e neon
Usi: lettura ottica, puntatori laser, olografia

Laser a diodi

Lunghezza d'onda: Variabile (dal vicino infrarosso al blu)
Potenze raggiunte: Da milliwatt a pochi watt
Materiale attivo: Giunzione di semiconduttori
Usi: Lettori CD/DVD, dispositivi di puntamento, telecomunicazioni

Laser a CO₂

Lunghezza d'onda: 10.6 micrometri (µm)
Potenze raggiunte: da watt a kilowatt
Materiale attivo: molecole di anidride carbonica (CO₂)
Usi: taglio e incisione laser su materiali non metallici, chirurgia dermatologica

Laser a fibra ottica