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Principi di funzionamento del L.A.S.E.R.

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laser_verdeIl Laser è uno strumento che, da apparecchiatura esclusiva di laboratorio, è diventato oramai accessibile alla popolazione, anche a costi davvero irrisori (vedi i comuni laser rossi a diodo).
Sicuramente vi starete chiedendo come mai, su di un sito di astronomia, compaia un articolo riguardante la tecnologia laser. Bene, ho deciso di scrivere questo breve testo in quanto ormai molti astrofili fanno utilizzo di piccoli laser, sopratutto per la collimazione delle ottiche e per indicare stelle e costellazioni (mediante laser verdi). Dunque ritengo sia interessante comprendere il funzionamento di questi apparecchi.

L'articolo comunque non vuole esaurire l'argomento, ma solo dare un'idea dei principi che si nascondono dietro l'effetto laser. In rete è possibile trovare molti altri approfondimenti sull'argomento.

Incominciamo dunque dicendo che la parola laser rappresenta una sigla, per la precisione questa sigla sta a significare "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", quindi sostanzialmente amplificazione luminosa provocata dall'emissione stimolata di radiazioni elettromagnetiche.


Emissione stimolata e spontanea

Cominciamo dunque spiegando brevemente la differenza tra emissione di radiazioni spontanea e stimolata:

1) Nel caso di emissione spontanea il sistema in esame (un atomo ad esempio) può rimanere in uno stato energeticamente eccitato per un tempo più o meno lungo, a seconda del delta (differenza) di energia in gioco. Quando il sistema si diseccita e fa ritorno allo stato energetico fondamentale ecco che l'energia persa viene rilasciata sotto forma di radiazione elettromagnetica (luce, ma non sempre!). Tale radiazione in uscita potrà direzionarsi in qualsiasi direzione.

2) Quando si parla invece di emissione stimolata ecco che il ritorno del sistema allo stato energetico iniziale viene provocato (stimolato) da un fotone incidente. I fotoni in uscita però in questo caso sono nella stessa direzione dei fotoni che hanno provocato il diseccitamento. Inoltre, fondamentale, i fotoni in uscita sono tutti in FASE tra loro. Questo significa che tutte le creste delle loro onde sono allineate, così come le "conche" (e questo porta all'amplificazione del fascio luminoso).

Emissione_stimolata

Dunque ricapitolando, i fotoni emessi per emissione stimolata presentano tre importanti caratteristiche:
- il fotone emesso è in fase con il fotone incidente.
- il fotone emesso ha la stessa lambda (lunghezza d'onda) del fotone incidente.
- il fotone emesso viaggia nella stessa direzione del fotone incidente.


Quindi prendendo in esame i componenti (es. atomi) di un materiale adatto, all'equilibrio termico ci sono moltissimi atomi nello stato fondamentale e pochi in quello eccitato.
Gli atomi vengono poi "pompati" nello stato eccitato, fornendo energia in vari metodi: in questo modo si crea quella che viene definita come "inversione di popolazione".
In seguito un fotone emesso, anche spontaneamente, nel sistema provoca il diseccitamento degli altri atomi eccitati, con conseguente emissione di altri fotoni (sempre tutti in fase e nella stessa direzione!)

Questo è fondamentalmente il principio di base. 
Dal punto di vista tecnico invece, un laser comune è costituito da un mezzo attivo e da una cavità. Andiamo a vedere di cosa si tratta.


Mezzo attivo e cavità

Il mezzo attivo è il materiale che emette i fotoni in fase, la Cavità invece è una vera e propria cavità, composta, nella sua forma più semplice, da due specchi (di cui uno semiriflettente, per permettere poi l'uscita del raggio) che confinano il mezzo attivo.

La funzione dei due specchi è quella di provocare, mediante riflessioni, numerosissimi passaggi dei fotoni emessi attraverso il mezzo attivo, per provocare un aumento dell'intensità del fascio luminoso. Inoltre la lunghezza della cavità permette anche di selezionare la lunghezza d'onda dei fotoni emessi.
In più i due specchi permettono di far si che solo i fotoni che si muovono orizzontalmente rispetto alla cavità possano subire riflessioni, e quindi amplificazione. Tutti gli altri si annullano, con l'ottenimento di un raggio altamente focalizzato

cavitàNell'immagine possiamo vedere:

1) Mezzo ottico
2) Energia fornita per il "pompaggio"
3) Specchio
4) Specchio semiriflettente
5) Fascio laser in uscita








Il primo laser e le diverse tipologie

Storicamente il primo laser realizzato fu quello a Rubino (che ricordo è costituito da un reticolo di Al2O3 che imprigiona piccole quantità di ioni Cromo 3+), creato da T.H. Maiman nel 1960.
Il questo tipo di laser il pompaggio avviene eccitando gli atomi di Cromo, mediante un potente flash luminoso. Un primo diseccitamento avviene in modo non radiativo (dunque senza emissione di luce), seguito poi dall'emissione stimolata di fotoni. E' un laser che emette nel rosso, a 694,3 nm (nanometri). Nelle due immagini sottostanti è possibile osservare uno schema di questo tipo di laser, e la fotografia del primo esemplare realizzato.

rubino_schemarubino_foto






Esiste una grande varietà di laser, e principalmente essi sono suddivisibili in cinque grandi categorie:
- A stato solido
- A gas
- Chimici
- A coloranti
- A diodo

Spenderò qualche parola su quest'ultima categoria, visto che a tale specie appartengono i comuni piccoli laser comunemente venduti nelle bancarelle.

Una giunzione a diodo è l'interfaccia tra due tipi di semiconduttori, uno n e l'altro p (consiglio, per capirne di più, di visitare il sito: http://it.wikipedia.org/wiki/Giunzione_p-n ).
Quando vengono forniti elettroni al diodo, dal lato n, ecco che gli elettroni nella banda di conduzione del semiconduttore di tipo n cadono nei buchi della banda di valenza del conduttore di tipo p. Questi elettroni, cadendo, liberano energia.
Nei comuni semiconduttori al Silicio, tale energia è quasi esclusivamente sotto forma di energia termica. Ma se si fa uso di altri materiali (come l' arseniuro di gallio) l'energia allora viene emessa sotto forma di luce! L' arseniuro di gallio emetterebbe nel campo dell' infrarosso, però aggiungendo del fosforo al cristallo ecco che l'emissione si "sposta" nel campo del rosso.

Ovviamente un diodo che emette luce non si può ancora definire un laser, in quanto mancano due cose assai importanti: la cavità di risonanza e l'emissione stimolata.
Quindi l'emissione di luce viene sfruttata come base dell'azione laser, mentre l'inversione di popolazione avviene "sottraendo" gli elettroni che cadono nei buchi del semiconduttore di tipo p.
La cavità di risonanza viene invece realizzata sfruttando l'alto indice rifrattivo di tali materiali: la luce rimane dunque intrappolata a causa della brusca variazione dell'indice di rifrazione.


schema_laser_diodo In quest'ultima immagine è mostrato lo spaccato di un comune diodo laser.















Sperando dunque che l'articolo vi sia stato utile, e che vi porti magari ad approfondire l'argomento, ricordo che potete segnalare errori e inessattezze scrivendomi direttamente una e-mail.


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