laser

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L’invenzione bizzarra diventata una grande risorsa tecnologica

Come i danzatori di un corpo di ballo seguono lo stesso ritmo, così i fotoni – le particelle di luce emesse da un laser – si muovono all’unisono, vibrano in fase e con la medesima frequenza. Per questo motivo un fascio laser è molto intenso e ben direzionato e permette, oltre che di scaldare e illuminare, anche di tagliare e forare i materiali, più duri, leggere un codice a barre o sostituire il bisturi di un chirurgo. Oggi i laser sono parte integrante della nostra vita, poiché fanno funzionare oggetti svariati, dai lettori di compact disc alle più sofisticate apparecchiature mediche ed elettroniche. Tuttavia quando sono nati, alla fine degli anni Cinquanta, molti li ritenevano una soluzione ancora in cerca

C’è luce e luce

La luce, si sa, riscalda e illumina. Senza i raggi del Sole non esisterebbe vita sulla Terra; senza torce e lampadine rimarrebbero solo la Luna e le stelle a rischiarare il buio della notte. Se questo è noto a tutti, meno noto è che la luce può anche sostituire il bisturi di un chirurgo, trasportare informazioni a grande distanza, forare e tagliare materiali durissimi come il diamante. È ciò che può fare la luce prodotta dal laser, un dispositivo brevettato nel 1958 dai fisici statunitensi Arthur Schawlow e Charles Hard Townes.

Tra la luce del Sole, o quella di una comune lampada a incandescenza, e la luce laser esiste all’incirca la stessa differenza che c’è tra un rumore e un suono, se pensiamo al suono come a un fenomeno ordinato e coerente e al rumore come al suo contrario. Ai nostri occhi la luce del Sole è una sorta di ‘rumore’ luminoso; appare bianca, ma in realtà è formata da tutti i colori dell’arcobaleno, come si può notare con un prisma che disperde le sue varie componenti; mentre in un fascio di luce laser, la lunghezza d’onda è una sola. Nel primo caso, quello del Sole, i fotoni che compongono la luce vibrano con frequenza diversa, nel caso del laser si muovono in fase tra loro. Per certi aspetti il laser somiglia un po’ a un corpo di ballo dove tutti i danzatori sono perfettamente sincronizzati ed eseguono contemporaneamente gli stessi movimenti, vale a dire che la luce laser è monocromatica e coerente. Per queste caratteristiche un dispositivo laser riesce a generare un fascio di luce molto sottile e intenso.

Come funziona un laser

La parola laser è l’acronimo dell’espressione inglese light amplification by stimulated emission of radiation «amplificazione della luce per mezzo dell’emissione stimolata di radiazioni». Come suggerisce il nome, il laser funziona proprio grazie all’emissione stimolata, un processo previsto dalla meccanica quantistica (quanti).

Secondo questa teoria gli elettroni di un atomo non hanno tutti la stessa energia, ma si dispongono su livelli energetici differenti. In genere gli elettroni tendono a occupare il livello più basso, detto fondamentale, ma se ricevono dall’esterno abbastanza energia possono ‘saltare’ a uno superiore. Dopo un certo tempo però tornano al livello di partenza e rilasciano l’energia prima assorbita emettendo un fotone. In un laser gli elettroni, sollecitati da uno stimolo esterno, tornano tutti insieme al livello di partenza come i nuotatori che si tuffano in acqua quando sentono il fischio d’inizio della gara. Il risultato è una luce coerente e monocromatica e l’energia associata alla radiazione dipende dalla distanza tra il livello di partenza e quello di arrivo.

La sostanza con cui è realizzato il laser prende il nome di materiale attivo e il meccanismo con cui la popolazione di un livello atomico passa a quello superiore è chiamato pompaggio. La luce di un laser è molto intensa in quanto si autoalimenta. Perché ciò avvenga, il materiale attivo è posto tra due specchi – uno totalmente e l’altro solo parzialmente riflettente – che formano una cavità risonante. Nella cavità il numero dei fotoni emessi viene moltiplicato perché muovendosi da uno specchio all’altro i fotoni colpiscono gli atomi ‘pompati’, che a loro volta emettono nuovi fotoni con la stessa frequenza e fase dei fotoni già presenti. Parte della radiazione così ottenuta filtra all’esterno dallo specchio semitrasparente e forma il fascio laser.

Una sorprendente diversità

Il processo di emissione stimolata è stato descritto già da Albert Einstein nel 1917, ma solo nel 1960 il fisico statunitense Theodore Maiman ha realizzato il primo laser funzionante. Da allora questi dispositivi hanno fatto molta strada e oggi sono davvero numerosi. In base al materiale attivo si distinguono in laser a stato solido, come quelli costruiti usando un cristallo di rubino; a gas, spesso realizzati con anidride carbonica; a semiconduttore, diffusi soprattutto nei lettori di compact disc e nelle stampanti laser; a liquido, che adoperano coloranti inorganici; a elettroni liberi, dove il materiale attivo è un plasma.

Ci sono laser piccoli come un granello di polvere e altri grandi come un intero campo di calcio; alcuni emettono luce nell’invisibile infrarosso, altri si servono dell’altrettanto invisibile ultravioletto o dei raggi X, senza dimenticare i laser che emettono nelle frequenze dello spettro visibile. In alcuni casi gli impulsi durano poche frazioni di secondo e in altri addirittura anni; talvolta la potenza emessa è di migliaia di watt e il laser riesce a forare persino l’acciaio, o al contrario è milioni di volte inferiore, come nei lettori ottici, e non basta neppure per cuocere un uovo.

Il maser

Il meccanismo di emissione stimolata serve per far funzionare anche il maser, un dispositivo che amplifica microonde od onde radio. Non a caso, maser sta per microwave amplification by stimulated emission of radiation «amplificazione di microonde mediante emissione stimolata di radiazioni». Il primo maser è stato realizzato nel 1954 grazie alla molecola di ammoniaca, ed emetteva radiazione con una frequenza di 24 Ghz (24 miliardi di hertz). Vista la grande stabilità di emissione, i maser sono usati come campioni di frequenza per costruire orologi atomici o come amplificatori elettronici per i radiotelescopi. Non esistono solo i maser artificiali realizzati dall’uomo. Negli spettri di emissione provenienti dallo spazio interstellare gli astronomi hanno individuato emissioni maser naturali.

Una luce tuttofare

Per molti anni dopo essere stato inventato, il laser veniva visto come una scoperta degna della fantascienza, ma poco adatta agli usi pratici, tanto che qualcuno la definì «una soluzione in cerca di un problema». Oggi invece la situazione si è completamente ribaltata e in molti campi il laser ha soppiantato le vecchie tecnologie perché costa di meno e dà garanzia di risultati migliori.

Funzionano con un dispositivo laser i lettori di compact disc e di DVD, le stampanti e gli apparecchi che rilevano i codici a barre dei prodotti. Intensi fasci laser sono usati nell’industria per tagliare e saldare i materiali; molti effetti speciali in film e video, gli effetti luminosi nelle discoteche e nelle esposizioni commerciali sono spesso ottenuti grazie alla luce laser. Un impulso laser riflesso da uno specchio permette di rilevare con grande precisione le distanze se si cronometra il tempo che impiega il raggio laser nel tragitto di andata e ritorno verso lo specchio. La distanza Terra-Luna è stata misurata con la precisione di 15 cm grazie a un fascio laser e a uno specchio collocato sul nostro satellite dagli astronauti della missione Apollo 11. La luce laser, coerente e monocromatica, presenta le caratteristiche più adatte per studiare fenomeni ottici come l’interferenza e la diffrazione e per realizzare immagini tridimensionali degli oggetti, chiamati ologrammi.

I laser sono ampiamente utilizzati anche nella ricerca scientifica per il monitoraggio geologico e atmosferico – con apparecchi chiamati lidar (sigla di light detection and ranging «rilevamento e localizzazione mediante la luce») – mentre nello studio della fusione termonucleare servono per confinare il plasma evitando che venga a contatto con le pareti del contenitore che lo racchiude, distruggendolo.

Laser e medicina

I laser permettono di curare le parti del nostro corpo più delicate, come l’occhio. Difetti come la miopia si possono correggere intervenendo sulla cornea con un raggio laser, e anche il distacco della retina si può prevenire grazie al laser che brucia il tessuto retrostante la retina e provoca una piccola cicatrice che fissa la retina al fondo dell’occhio. Il laser agisce anche come un bisturi incruento per operare nelle zone più difficili da raggiungere o per cicatrizzare rapidamente tessuti che si sono lacerati.

Nella cura dei tumori serve per eliminare direttamente le cellule malate e nella chemioterapia per dirigere con precisione il fascio di radiazioni sui tessuti malati.