Il 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.
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).
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.
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
Nell'immagine possiamo vedere:
1)
Mezzo ottico
2) Energia fornita per il "pompaggio"
3)
Specchio
4) Specchio semiriflettente
5) Fascio laser
in uscita
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.
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.
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.