Home MateriaFisica Cos’è il laser?

Cos’è il laser?

by Adriana Carelli
Laser

Introduzione

Il è un acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, cioè “Amplificazione di per emissione stimolata della radiazione”. Il laser è quindi un dispositivo capace di generare e amplificare radiazioni di frequenza ottica, basato sul principio fisico dell’emissione stimolata. , ioni e molecole di una sostanza occupano certi stati stazionari, caratterizzati da discreti, e possono interagire con una radiazione elettromagnetica: l’interazione consiste sia nell’assorbimento della radiazione da parte del sistema atomico, sia nell’emissione di radiazione del sistema atomico.

Affinché un laser possa comportarsi come da amplificatore laser è necessaria un’azione esterna, tale da modificare la distribuzione di equilibrio, e cioè popolando un livello energetico superiore più di un livello inferiore; la distribuzione risultante è detta inversione di popolazione e la sostanza in cui si verifica è detta materiale attivo. L’amplificazione è tanto maggiore quanto sarà più grande l’inversione.

Funzionamento del laser

Affinché il materiale attivo possa comportarsi da oscillatore laser e generare una radiazione luminosa coerente, deve essere posto in una cavità risonante, costituita da due specchi piani e paralleli tra loro, di cui uno parzialmente e l’altro totalmente riflettente. I fotoni rimbalzano avanti e indietro attraverso questa camera ottica. 

Funzionamento laser

Componenti di un Laser:
1) Mezzo ottico attivo
2) Energia fornita al mezzo ottico
3) Specchio
4) Specchio semiriflettente
5) Fascio laser in uscita

Il laser è essenzialmente composto da 3 parti:

  1. un mezzo attivo, cioè un materiale (gas, cristallo, liquido) che emette la luce;
  2. un sistema di pompaggio, che fornisce energia al mezzo attivo;
  3. 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, etanoloo 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. Sotto vediamo un’immagine che spiega il funzionamento dell’emissione stimolata.

Emissione stimolata

Emissione stimolata

Tipi di laser

Il tipo più diffuso impiega il rubino, cioè un mono cristallo sintetico di Al_{2}O_{3} (ossido di alluminio) contenente lo 0,05% di cromo, quest’ultimo è il materiale attivo mentre l’Al_{2}O_{3} serve come supporto. Si irradia il rubino con una luce molto intensa, per esempio quella di un tubo flash allo xeno, la luce poi viene assorbita dagli atomi di cromo, che passano ad un livello superiore (banda 3) e poi decadono molto rapidamente (banda 2), si ottiene in questo modo un inversione tra i livelli . Laser a rubino producono impulsi di coerente luce visibile ad una lunghezza d’onda di 694,3  nm , che è un colore rosso intenso. Lunghezze impulsi laser rubino tipiche sono dell’ordine di un millisecondo. 

Laser a rubino

Laser a rubino

Laser a elio-neon

E’ un laser a gas nel quale il mezzo attivo è il neon e l’elio serve da eccitatore. Per il pompaggio si provoca una scarica a radiofrequenza nel gas per mezzo di elettrodi esterni al tubo. L e radiazioni più intense si manifestano nell’infrarosso e poi alcune nello spettro della luce visibile e sono, nell’ordine, sulle righe \lambda = 3,39 \mu m, \lambda = 1,15 \mu m e \lambda = 6328 \n m. La visibilità del fascio laser e le sue eccellenti qualità di coerenza spaziale lo rendono una sorgente molto utile per olografia e come luce di riferimento per la spettroscopia. È anche uno dei sistemi di test per la definizione del metro campione.

Laser a giunzione

Si basa sulle proprietà dei semiconduttori. In un cristallo semiconduttore (germanio, silicio, arsenico di gallio ecc.) è possibile realizzare una giunzione np nella quale far avvenire l’azione del laser. 

Il laser a giunzione è quindi un dispositivo optoelettronico in grado di emettere un fascio laser emesso dalla regione attiva del semiconduttore con cui viene realizzato il dispositivo stesso. La struttura del semiconduttore è molto simile a quella impiegata nella realizzazione di LED (Light Emitting Diode).

La tipologia di diodo laser più comune in commercio è formata da una giunzione p-n nella quale viene iniettata una corrente elettrica. Questi dispositivi vengono spesso chiamati diodi laser a iniezione per distinguerli da quelli pompati otticamente, che sono più facili da produrre in laboratorio.

L’elettrone, nel passare da un livello energetico ad un altro, emette un fotone. Mediante correnti di altissima densità si accelerano elettroni nella zona n del cristallo verso la giunzione. La stessa corrente spinge contemporaneamente le buche dalla zona p verso la giunzione. Nella giunzione, il cui spessore è dell’ordine di 10^{-6}m, i due tipi di portatori si neutralizzano emettendo l’energia di eccitazione posseduta. I fotoni emessi investono altri elettroni tra quelli iniettati nella giunzione e li stimolano ad emettere altri elettroni. Il laser a giunzione opera normalmente a basse temperature, dove la riga di emissione è molto ben definita. Il più utilizzato è il laser ad arsenico di gallio che emette luce nell’infrarosso.

Laser a gas

Ci sono altri tipi di laser nei quali il materiale attivo è un gas (anidride carbonica, xeno, cripto ecc.). L’elevata purezza e la bassa densità dei gas consentono alta monocromaticità, direzionalità e stabilità. Il pompaggio si realizza in genere mediante scariche elettriche ma a volte vengono utilizzati anche metodi chimici.

I operano nell’ultravioletto e sono utilizzati in medicina. Trovano applicazioni in microchirurgia anche il laser Nd-YAG (Neodymium-Yttrium-Alluminium-Garner), il laser a fibre ottiche e il FEL (Free Electron Laser), che utilizza un fascio di elettroni accelerati all’interno di una struttura magnetica.

Come funziona un laser? -Video

 

Immagine di copertina:

Di 彭嘉傑 – Opera propria, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=60733412

 

POTREBBE INTERESSARTI

Leave a Comment